AUCLA-ledda team av ingenjörer och kemister har tagit ett stort steg framåt i utvecklingen av mikrobiella bränsleceller - en teknik som använder naturliga bakterier för att extrahera elektroner från organiskt material i avloppsvatten för att generera elektriska strömmar. En studie som beskriver genombrottet publicerades nyligen i Vetenskap .

"Levande energiåtervinningssystem som använder bakterier som finns i avloppsvatten erbjuder en en-två-stång för miljömässig hållbarhet, " sade medkorrespondent författare Yu Huang, en professor och ordförande för avdelningen för materialvetenskap och teknik vid UCLASamueli School of Engineering. "De naturliga populationerna av bakterier kan hjälpa till att sanera grundvattnet genom att bryta ner skadliga kemiska föreningar. Nu, vår forskning visar också ett praktiskt sätt att utnyttja förnybar energi från denna process."

Teamet fokuserade på bacteriagenus Shewanella , som har studerats brett för sin energigenereringsförmåga. De kan växa och frodas i alla typer av miljöer – inklusive jord, avloppsvatten och havsvatten – oavsett syrehalt.

Shewanella naturligt bryta ner organiskt avfall till mindre molekyler, med elektroner som en biprodukt av den metaboliska processen. När bakterierna växer som filmer på elektroder, en del av elektronerna kan fångas, bildar en mikrobiell bränslecell som producerar elektricitet.

Dock, mikrobiella bränsleceller som drivs av Shewanella oneidensis har tidigare inte fångat tillräckligt med strömmar från bakterien för att göra teknologin praktiskt för industriellt bruk. Få elektroner kunde röra sig tillräckligt snabbt för att fly bakteriens membran och komma in i elektroderna för att ge tillräckliga elektriska strömmar och kraft.

För att lösa detta problem, forskare lade till nanopartiklar av silver till elektroder som är sammansatta av en typ av grafenoxid. Nanopartiklarna frisätter silverjoner, vilka bakterier reducerar till silvernanopartiklar med hjälp av elektroner som genereras från deras metaboliska process och sedan införlivas i sina celler. Väl inne i bakterierna, silverpartiklarna verkar asmikroskopiska transmissionstrådar, fånga fler elektroner som produceras av bakterierna.

"Att lägga till silvernanopartiklarna i bakterierna är som att skapa en dedikerad expressbana förelektroner, vilket gjorde det möjligt för oss att extrahera fler elektroner och med snabbare hastigheter, " sa XiangfengDuan, studiens andra motsvarande författare och en professor i kemi och biokemi vid UCLA.

Med kraftigt förbättrad elektrontransporteffektivitet, det resulterande silver-infunderade Shewanella filmen matar ut mer än 80 % av de metaboliska elektronerna till extern krets, genererar en effekt på 0,66 milliwatt per kvadratcentimeter – mer än dubbelt så mycket som tidigare bäst för mikrobiella bränsleceller.

Med den ökade strömmen och förbättrade effektiviteten, studien, som stöddes av Office of Naval Research, visade att bränsleceller drivs av silver- Shewanella hybridbakterier kan bana väg för tillräcklig effekt i praktiska miljöer.

BochengCao, en doktorand vid UCLA som rådgivits av både Huang och Duan, är den första författaren till tidningen. Andra seniorförfattare vid UCLA är Gerard Wong, en professor i bioteknik; Paul Weiss, en UC-presidentordförande och framstående professor i kemi och biokemi, bioteknik, och materialvetenskap och teknik; och Chong Liu, en biträdande professor i kemi och biokemi. KennethNealson, en professor emeritus i geovetenskaper vid USC, är också senior författare.

Duan, Huang och Weiss är alla medlemmar i California NanoSystems Institute vid UCLA.