微生物燃料电池性能提高创下新纪录

美东时间9月24日消息，美国科学家在微生物燃料电池的阳极上涂上了银和还原氧化石墨烯的复合材料，取得了创纪录的功率。在元素的运行过程中，涂层释放出银纳米粒子，这些粒子穿透细菌的外壳，促进电子向阳极的传输，大大提高了其电子的转移效率。

微生物燃料电池是一种利用微生物将化学键的能量转换为电能的装置。一层细菌膜被涂在电池的阳极上，细菌氧化电解液的成分，并将获得的电子转移到电极上。细菌燃料可以是各种各样的有机物质，包括混合物。因此，从长远来看，微生物燃料电池可能同时解决两个任务：获得电力和回收危险废物，如废水成分。

然而，就目前而言，微生物燃料电池的容量不到每平方厘米0.3毫瓦，不足以用于商业用途。损失发生在所有阶段，但大多数能量是在电子从细菌转移到阳极时损失的。

由加州大学的黄玉（音译）（Yu Huang）领导的美国研究人员已经成功地使微生物燃料电池更加有效。作者使用了一种薄膜燃料电池，他们在该电池的阳极上涂抹了一层希瓦氏菌的薄膜。这些细菌广泛存在于土壤、地下水和海水中，可以在有氧和无氧条件下生存，被认为是用于微生物燃料电池的理想选择。

黄和他的同事开始制造三种类型的碳阳极：无涂层的、涂有还原氧化石墨烯（rGO）的和涂有还原氧化石墨烯-银（rGO/Ag）复合材料。科学家们加入了还原氧化石墨烯以减少阻力，并加入银以促进电子从细菌转移到阳极。然后将电极放在含有细菌和营养物质的弱碱性溶液中，供它们使用。黄和他的同事担心，银的抗菌作用可能会干扰细菌的繁殖，而且阳极上的薄膜不够密集。然而，事实证明，在与还原氧化石墨烯的复合形式下，银对希瓦氏菌没有危险。

发现细菌在rGO/Ag电极上的存活率为93%，这与rGO电极（92%）和无涂层电极（95%）的存活率相比很好。此外，扫描电子显微镜显示，细菌在rGO/Ag电极上形成了更密集的薄膜。

带有rGO/Ag的测试半电池中的电流密度比带有rGO电极的半电池高7倍，比带有无涂层电极的半电池高15倍。为了了解这一令人印象深刻的改进的原因，作者使用了透射扫描电子显微镜，还用能量色散X射线光谱法扫描了整个电极表面。

人们发现，一些银已经从电极上分离出来，并进入了细菌层。这种银主要以纳米颗粒的形式出现，平均大小约为5纳米，靠近细菌膜，甚至在外膜和内膜之间，在周质空间。

论文作者提出，在燃料电池运行期间，带正电的银离子从阳极分离出来，并进入细菌层，在那里被还原成带中性电的粒子。然后这些颗粒作为一种金属触点，促进电子从细菌转移到阳极。

为了测试新的电极，黄和他的同事用两个被质子交换膜隔开的120毫升水箱制造了一个完整的微生物燃料电池。阴极由加铂碳制成，并使用乳酸盐溶液作为燃料。

在优化后，rGO/Ag燃料电池显示出每平方厘米3.85毫安的电流密度和每平方厘米0.6毫瓦的功率，这是微生物燃料电池的记录。

在计算了消耗的乳酸的确切数量后，论文作者还计算了库仑效率（到达阳极的电子与从乳酸中获取的电子总量的比率），发现该值为81%。与传统燃料电池相比，这不是很高，但也是微生物燃料电池的一个纪录。