微生物燃料动力电池可以高效发电

2021-09-22      806 次浏览

这种生物膜或泥,涂在微生物燃料动力锂电池的碳电极上,也作为细菌的饲料,它们出现的电子传递到电极,就会出现电力。这种细菌通常见于地球上空30公里处,已证实可以高效发电。


同温层芽孢杆菌(Bacillusstratosphericus)这种微生物,通常呈现高浓度,见于地球平流层轨道的卫星中,这是一个重要菌种,可制成新的超级生物膜,设计者是一组科学家,来自英国纽卡斯尔大学(NewcastleUniversity)。


微生物燃料动力锂电池可以把有机化合物直接转换成电能,这要催化氧化。来源:纽卡斯尔大学


他们隔离出75种不同种类的细菌,这些细菌都来自英国康特里达勒姆(CountryDurham)威尔河口(WearEstuary),研究小组测试了可以发电的每种细菌,测试使用的是微生物燃料动力锂电池(MFC:MicrobialFuelCell)。


他们选择最好的细菌品种,进行一种微生物的选择和混合,这样,他们就能够创造出一种人造生物膜,可以双倍提高微生物燃料动力锂电池的电力输出,从每立方米105瓦提高到每立方米200瓦。


虽然还比较低,但是,这也可供应足够电力,可以使用电灯,而且可以供应急需的电源,用于世界上没有通电的地方。


在这些超级细菌中,有同温层芽孢杆菌,这种微生物通常见于大气层,但也会落到地面,这是因为大气循环过程,这种微生物研究人员也分离出来了,是来自威尔河(RiverWear)河床。


他们的研究成果二月二十一日已发表,就在美国化学学会(AmericanChemicalSociety)《环境科学与技术杂志》(JournalofEnvironmentalScienceandTechnology)上,题为《提高电力生产采用重组人工菌团河口细菌培育为生物膜》(EnhancedElectricityProductionbyUseofReconstitutedArtificialConsortiaofEstuarineBacteriaGrownasBiofilms)。


格兰特伯吉斯(GrantBurgess)是纽卡斯尔大学海洋生物技术教授,他说,研究表明了这种技术的潜在力量。


我们所做的,就是精心操纵微生物组合,设计制成一种生物膜,可以更高效地发电,他说。


这是第一次,个别微生物的研究和选择采用了这种方式。找到同温层芽孢杆菌是令人惊喜的,但它表明的是这种有前途的技术的未来,有数十亿微生物都有可能发电。


利用微生物发电并不是新概念,而且已用于废水处理和污水处理厂。


微生物燃料动力锂电池运行方式类似电池,就是使用细菌,把有机化合物直接转换成电能,采用的工艺称为生物催化氧化。


这种生物膜或泥,涂在微生物燃料动力锂电池的碳电极上,也作为细菌的饲料,它们出现的电子传递到电极,就会出现电力。


到现在为止,这种生物膜一直在生长,没有受到抑制,但是,这项新研究首次表明,操纵这种生物膜,就可以显着提高燃料动力锂电池的电力输出。


资金来自工程和物理科学研究理事会(EPSRC:EngineeringandPhysicalSciencesResearchCounci),生物技术和生物科学研究理事会(BBSRC:BiotechnologyandBiologicalSciencesResearchCouncil)和自然环境研究理事会(NERC:NaturalEnvironmentResearchCouncil),这项研究确认了大量可发电的细菌。


与同温层芽孢杆菌相同,另一种发电细菌也在这种混合物中,就是高层芽孢杆菌(Bacillusaltitudinis),这种细菌来自上层大气,也是拟杆菌门(phylumBacteroidetes)家族的新成员。


他们的论文中说,微生物燃料动力锂电池可以把有机化合物直接转换成电能,这要催化氧化,微生物燃料动力锂电池虽然引发了相当大的兴趣,但是,很少有信息讨论具有发电潜力的人工细菌生物膜。我们采用醋酸盐(acetate)培育的物微生物燃料动力锂电池,沉积植入,带有双容器瓶和碳布电极,出现的最大输出功率为175毫瓦/M2,稳定输出功率为105毫瓦/M2。电力生产要把电子直接转移到阳极,电子出现于菌团,这些菌团生长在阳极上,这已经被证实,使用的是循环伏安法(CV:cyclicvoltammetry)和扫描电子显微镜(SEM)。


有20个不同种类的细菌(74种菌株)被分离出来,都源自菌团,这些菌团生长在厌氧条件下,培育是在实验室进行,其中发现,有34%是产电菌群(exoelectrogens),属于单一菌种研究。具有产电性能的菌属,有弧菌属(generaVibrio)、肠杆菌(Enterobacter)、枸橼酸杆菌(Citrobacter)以及同温层芽孢杆菌,这已经证实,采用的是培养基方法,这还是第一次。微生物燃料动力锂电池具有天然菌团,表现出更高的功率密度,胜过单一菌株。此外,最大输出功率可进一步新增至200毫瓦/M2,只要使用一种人造菌团,这种菌团包含最好的25种分离产电菌群,这表明,有可能提高性能,说明这种人工生物膜的重要性,可以提高输出功率。



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