Новый наноматериал увеличивает производительность микробных топливных элементов

Пористые композитные ткани из углеродных нанотрубок и полимерных волокон могут быть встроены в новый тип электродов, которые могут повысить производительность микробных топливных элементов (MFC), согласно исследованиям, проведенным в Университете Стэнфорда.

MFC, которые созданы пока только в виде пилотных установок, являются электрохимическими устройствами, которыми управляют бактерии, способные очищать сточные воды, которые содержат органические вещества. Микробы используют органические соединения в качестве топлива для генерирования энергии посредством извлечения электрической энергии из контролируемых химических реакций. Изучение показывает процедуру подготовки материалов для построения клеток, которые превосходят коммерчески доступные.

Рис. 1. Новый композитный текстильный материал способствует микробной колонизации как видно при малом увеличении – биопленка оборачивает каждое волокно (слева). Большое увеличение (справа) показывает, что микробы тесно привязаны к материалу благодаря волосевидным структурам – нанопроволокам.

Другие топливные элементы, такие как на основе мембран из полимерного электролита – широко изучены и популяризованы для использования в автомобилях – в основе процесса лежит окисление водорода на аноде. Освободившиеся после окисления электроны создают электрический ток, т.к. двигаются через внешнюю цепь в сторону катода, где они восстанавливают окислитель – обычно это кислород. В целом процессу, в результате которого образуется вода, способствуют платиновые или другие катализаторы.

MFC работают по такому же принципу, за исключением того, что биомасса или органические соединения являются топливом. И вместо того, чтобы употреблять драгоценные металлы, MFC используют «экзоэлектрогенные» бактерии в качестве биокатализаторов и применяют метаболические процессы микробов для разложения топлива – их еды. Определяющим свойством экзоэлектрогенов является их способность к переносу электронов через плазму их мембраны с помощью биологических нанопроводов к аноду.

Главной задачей в проектировании MFC было найти анодный материал высокого разрешения. В идеальном случае, материал должен быть достаточно пористым для удерживания колонии бактерий, механически надежным и электропроводным для облегчения переноса электрона между пленками микробов и поверхностью анода.

Исследователи провели эксперименты с различными типами пористых углеродных тканей, бумаг и других материалов. К сожалению, поры в анодах, сделанные из этих материалов быстро забиваются из-за начального быстрого роста микробов, который препятствует дальнейшему росту колонии и тем самым ограничивает производительность топливных элементов.

С целью решения данной проблемы, группа ученых из Стэнфорда приготовила высокопористый, электропроводящий, биосовместимый материал путем тщательного смешивания углеродных нанотрубок с текстильной продукцией, сделанной из случайно переплетенных полиэфирных волокон диаметром 20 мкм. Группа сообщила, что аноды, сделанные из такого композитного материала, напоминают открытую трехмерную структуру, идеальную для внутренней колонизации микробами.

Эксперименты показали, что MFC, оборудованные анодами из композитного текстильного материала, превосходят аналогичные, сделанные из коммерческих анодов на основе сплетенной углеродной ткани, которые, из-за их относительно маленьких пор, поддерживают рост биопленки только на внешних поверхностях анода. В частности, новые MFC генерируют максимальный ток на 157% выше и максимальную мощность на 68% выше, чем традиционные MFC.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Xing Xie, Liangbing Hu, Mauro Pasta, George F. Wells, Desheng Kong, Craig S. Criddle, and Yi Cui Three-Dimensional Carbon Nanotube−Textile Anode for High-Performance Microbial Fuel Cells. – Nano Lett., Article ASAP DOI: 10.1021/nl103905t. 

Источник(и):

1. acs.org

2. sci-lib.com

http://www.nanonewsnet.ru/news/2011/novyi-nanomaterial-uvelichivaet-proizvoditelnost-mikrobnykh-toplivnykh-elementov