Углерод

Aug 30, 2023

Китайское общество наук об окружающей среде

изображение: A. Конструкция и материалы электродов четырех SMFC, протестированных в этом исследовании. б — Катодная сборка. в. Экспериментальная установка.посмотреть больше

Кредит: Наука об окружающей среде и экотехнологии.

В контексте растущего спроса на энергию и экологических проблем, решения в области возобновляемых источников энергии имеют решающее значение для достижения нулевых выбросов к 2050 году. Микробные электрохимические технологии, такие как SMFC, являются экономически эффективными и экологически безопасными, что делает их привлекательным вариантом для экологически чистых энергетических систем. . SMFC используют эндогенные микроорганизмы, присутствующие в почве, для преобразования органических веществ в электричество, предлагая устойчивый источник энергии и автономную стратегию биоремедиации загрязненных почв на месте.

Катодные материалы играют важную роль в работе микробных топливных элементов. В этом исследовании исследователи сравнили характеристики безмембранных SMFC с воздушным катодом, используя четыре различных катода: углеродную ткань, углеродную ткань, легированную платиной, графитовый войлок и инновационный электрод из углеродных нановолокон, легированных железом. Исследователи проводили электрохимические тесты в течение длительных периодов времени, а также микробный таксономический анализ, чтобы оценить влияние материалов электродов на образование биопленок и электрохимические характеристики.

В исследовании, опубликованном в 16 томе журнала Environmental Science and Ecotechnology в апреле 2023 года, исследователи из Университета Бата показали, что углеродные нановолокна, легированные Fe, и катоды из углеродной ткани, легированные Pt, обеспечивают стабильные характеристики с пиковой плотностью мощности 25,5 и 30,4 мВт. м−2 соответственно. Катоды из графитового фетра продемонстрировали лучшие электрохимические характеристики с пиковой плотностью мощности 87,3 мВт м-2. Однако они также продемонстрировали наибольшую нестабильность.

Исследование микробных сообществ выявило различия между анодными и катодными сообществами. Аноды были преимущественно обогащены видами Geobacter и Pseudomonas, тогда как в катодных сообществах преобладали водородпродуцирующие и гидрогенотрофные бактерии. Это предполагает, что циклирование водорода может быть возможным механизмом переноса электронов. Кроме того, присутствие нитратредуцирующих бактерий в сочетании с результатами циклической вольтамперограммы показало, что микробное восстановление нитратов происходит на катодах из графитового войлока.

Использование инновационных катодов из углеродных нановолокон, легированных Fe, обеспечило электрохимические характеристики, сравнимые с углеродной тканью, легированной Pt, и предложило недорогую альтернативу. Однако графит превзошел все остальные протестированные электроды, но продемонстрировал меньшую воспроизводимость и более высокие потери при переносе массы. Микробное таксономическое профилирование катодных биопленок выявило наличие таксонов, связанных с восстановлением кислорода или участием в использовании альтернативных акцепторов электронов, таких как нитрат.

Результаты этого исследования могут стать основой для будущих исследований недорогих и высокопроизводительных SMFC для практического применения в сборе энергии и биовосстановлении. Понимая, как материалы электродов влияют на микробные сообщества и электрохимические характеристики, исследователи могут ускорить внедрение SMFC в реальные реализации.

###

Рекомендации

Авторы

Арпита Нанди a, Даниэль Фаркас b, Белен Пепио-Таррега c, Сандра Мартинес-Креспьера c, Эдуард Боррас c, Клаудио Авиньоне-Росса b, Мирелла Ди Лоренцо a

Принадлежности

Кафедра химической инженерии и Центр биосенсоров, биоэлектроники и биоустройств (C3Bio), Университет Бата, Клавертон-Даун, BA2 7AY, Великобритания

2 Кафедра микробных наук, Университет Суррея, Гилфорд, GU2 7XH, Великобритания

c Технологический центр LEITAT, C/ de la Innovación, 2, 08225, Террасса, Барселона, Испания

Наука об окружающей среде и экотехнологии

10.1016/j.ese.2023.100276

Непригодный

Влияние углеродных катодов на состав биопленок и электрохимические характеристики почвенных микробных топливных элементов