美国爱荷华州立大学(Iowa State University)的研究人员开发出3D的纸质微生物燃料电池(MFC),可在整个系统中利用毛细管作用引导液体,而无需使用外部电力。

这种纸质的MFC原型可连续运作五天,可产生约1.3μW的电力以及52.25μA的电流,实现大约25W/m3的电源密度。这些研究结果显示纸质微生物燃料电池可在无需使用任何外部电力的环保模式下发电。“由此设备产生的所有电源可完全使用,因为它不需要任何电力就能让液体在整个设备中运行。这一点对于这些MFC设备的进展以及扩展其应用相当重要,”该研究作者暨爱荷华州立大学机工程助理教授Nastaran Hashemi表示。

该MFC设备可让Shewanella Oneidensis MR-1菌株(图中黄色)与铁氰化钾(白色)流进腔室。在两腔室之间放置质子交换薄膜,可隔离两种不同的液体以及让阳极电解液中由生物催化剂分解释放出的正电离子从阳极流到阴极。

在测试过程中,在碳布上形成的生物薄膜进一步证实所测得的电流就是发生生物化学反应的结果。生物薄膜在微生物燃料电池产生电流时扮演重要角色,当生物薄膜的尺寸与厚度增加,就能提高所产生的电流。

在涉及许多酶催化反应的复杂过程中,细菌电池可促进含有丰富电子的物质进行新陈代谢。接着,电子可自在地经由其中一种电子传输模式流至阳极。该原型显示,个别细菌和电极之间直接接触对于产生电流的影响并不大,因而可支持中介电子传递机制。生物薄膜有助于在电极的分子吸收,使其在高功率密度微生物燃料电池上占据重要地位。

该设备首次证明能够持续较长的使用时间,以及有能力个别操作。这一开发成果有助于增加微生物燃料电池可加以应用的情况。

爱荷华州立大学的研究团队目前正探索其他选择,以便更有效控制电压输出,以及打造恒定的电流与降低昂贵的化学品成本。

编译:Susan Hong

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