Повышение производительности микрожидкостных микробных топливных элементов за счет исследования механизмов переноса электронов, металлов

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 7417 (2022) Цитировать эту статью

4799 Доступов

6 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В представленной статье впервые фундаментально исследуется влияние различных механизмов переноса электронов, различных электродов на основе металлов и статического магнитного поля на общую производительность микрожидкостных микробных топливных элементов (МТЭ) для улучшения генерируемого биоэлектричества. Для этого в качестве анода микрофлюидных МТЭ были тщательно исследованы цинк, алюминий, олово, медь и никель. Два типа бактерий, Escherichia coli и Shewanella oneidensis MR-1, использовались в качестве биокатализаторов для сравнения различных механизмов переноса электронов. Оценивалось взаимодействие анода с микроорганизмами. Наконец, был оценен потенциал применения статического магнитного поля для максимизации генерируемой мощности. Для цинкового анода были получены максимальные потенциал холостого хода, плотность тока и плотность мощности 1,39 В, 138 181 мА м-2 и 35 294 мВт м-2 соответственно. Создаваемая плотность тока как минимум на 445% лучше, чем значения, полученные в ранее опубликованных исследованиях. Микрофлюидные МТЭ успешно использовались для питания ультрафиолетовых светодиодов (УФ-светодиодов) для медицинских и клинических применений, чтобы прояснить их применение в качестве миниатюрных генераторов энергии для имплантируемых медицинских устройств.

Микробные топливные элементы (МТЭ) представляют собой многообещающие подходы к производству экологически чистой и возобновляемой биоэлектричества, в которых микроорганизмы используются в качестве биокатализаторов для сбора энергии из органических субстратов или биомассы1. Кроме того, академическое внимание привлекают многочисленные применения МФЦ в очистке сточных вод и биосенсорстве2, питании микробных электролизных ячеек (МЭК) для производства биоводорода3 и помимо этого в устройствах диагностики в медицинских учреждениях4. Последние применения были реализованы с помощью микрофлюидной технологии, которая предлагает уникальные преимущества интеграции всей клетки на чипе.

Способность питать миниатюрные системы для портативных, носимых5 и имплантируемых медицинских устройств (IMD)6, иметь более короткое время отклика, точно контролировать рабочие параметры1 и, наконец, достигать лучшего понимания формирования биопленок и биологических взаимодействий7, являются главными особенностями микрофлюидных MFC. Однако практическое применение микрофлюидных МТЭ по-прежнему ограничено из-за низкой плотности выходной мощности и высокой стоимости изготовления.

Генерируемая мощность зависит от множества факторов, в том числе физических (материалы электродов, конфигурация мембраны и клетки), биологических (тип микроорганизма и субстрата и механизмы переноса электронов у микроорганизмов) и рабочих (температура, pH, внешнее сопротивление и скорость потока) параметров8, 9,10. Поскольку происходит прямое или косвенное взаимодействие между микроорганизмом и поверхностью анода для переноса внеклеточных электронов, анодный электрод играет решающую роль в этом процессе. Кроме того, влияние структуры и материалов анода, особенно их биосовместимости, пористости, топографии, шероховатости и потенциала, может существенно повлиять на образование биопленок и внутреннее сопротивление микрофлюидных МТЭ11. Перспективный альтернативный анод позволит значительно увеличить выходную плотность мощности микрофлюидных МТЭ и ускорить переход этой технологии от фундаментальных исследований к коммерческому применению.

С момента появления технологии МТЭ были проведены многочисленные исследования по поиску анодного электрода со всеми упомянутыми характеристиками. Независимо от исследований электродов на основе углерода12, более четырнадцати электродов на основе металлов, таких как никель (Ni), золото (Au), медь (Cu), молибден (Mo), цинк (Zn), олово (Sn) и алюминий ( Al), используются в качестве анодных электродов в МТЭ13,14. Результаты показали, что Мо имеет более высокую плотность тока, чем другие металлы и электроды на основе углерода. Это был первый шаг на пути к внедрению электродов на основе металлов в качестве конкурентоспособной альтернативы электродам на основе углерода. Кроме того, было разработано несколько стратегий модификации, таких как включение наноструктур никеля15 и модификация поверхности с помощью наносфер Fe3O4 и восстановленного оксида графена16, чтобы улучшить биосовместимость, соотношение площади поверхности к объему и электропроводность17.