科学家为细菌注入银纳米粒子以提高微生物燃料电池的功率效率

据外媒报道，一个由加州大学洛杉矶分校领导的工程师和化学家团队在开发微生物燃料电池方面迈出了一大步--该技术利用天然细菌从废水中的有机物中提取电子以产生电流。一项详细说明这一突破的研究已发表在《科学》上。

这项研究的论文共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校塞缪里工程学院材料科学与工程系教授兼主任Yu Huang表示：“利用废水中发现的细菌的活体能量回收系统为环境可持续性努力提供了一记重拳。细菌的自然种群可以通过分解有害的化学物质来帮助消除地下水的污染。现在，我们的研究还展示了一种从这一过程中利用可再生能源的实用方法。”

该团队专注于Shewanella属细菌，这些细菌因其能源生成能力而被广泛研究。它们可以在所有类型的环境中--包括土壤、废水和海水--生长和繁殖，而不受氧气水平的影响。

沙瓦氏菌物种自然地将有机废物分解成更小的分子，电子是代谢过程的副产品。当这些细菌在电极上长成薄膜时，一些电子可以被捕获并形成一个微生物燃料电池进而产生电力。

然而，由单胞沙瓦氏菌驱动的微生物燃料电池以前没有从细菌中捕获足够的电流，进而以使该技术在工业上具有实用性。很少有电子能快速移动到足以逃离细菌的膜并进入电极以提供足够的电流和功率。

为了解决这个问题，研究人员在由一种氧化石墨烯组成的电极上添加了银的纳米颗粒。这些纳米颗粒释放出银离子，细菌利用其新陈代谢过程中产生的电子将其还原为银纳米颗粒，然后融入其细胞中。一旦进入细菌体内，银颗粒就像微型传输线一样捕捉细菌产生的更多电子。

该研究的论文另一位通讯作者、加州大学洛杉矶分校化学和生物化学教授Xiangfeng Duan指出：“将银纳米粒子加入细菌中就像为电子创造了一条专用快车道，这使得我们能以更快的速度提取更多的电子。”

随着电子传输效率的大幅提高，所产生的银浸泡的Shewanella薄膜向外部电路输出了80%以上的代谢电子并产生了每平方厘米0.66毫瓦的功率--比以前微生物基燃料电池的最佳值高出一倍以上。

随着电流的增加和效率的提高，这项由美海军研究办公室支持的研究表明，由银-沙瓦氏菌混合细菌驱动的燃料电池可能为实际环境中的足够功率输出铺平道路。