Американские ученые покрыли анод микробного топливного элемента композитом из серебра и восстановленного оксида графена и добились рекордной мощности. В процессе работы элемента такое покрытие выделяет наночастицы серебра, которые проникают в оболочку бактерий и облегчают транспорт электронов к аноду.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Микробный топливный элемент — это устройство, которое преобразует энергию химических связей в электроэнергию с помощью микроорганизмов. На анод такого элемента наносят пленку бактерий, которые окисляют компоненты электролита и передают полученные электроны на электрод. Топливом для бактерий могут служить самые разные органические вещества, в том числе смеси. Поэтому в перспективе с помощью микробных топливных элементов можно будет решать две задачи одновременно: получать электроэнергию и перерабатывать вредные отходы — например, компоненты сточных вод.

Однако, пока что мощность микробных топливных элементов не превышает 0,3 милливатта на квадратный сантиметр, и для коммерческого использования недостаточна. Потери происходят на всех этапах, но больше всего энергии теряется во время передачи электронов от бактерии к аноду

Сделать микробные топливные элементы эффективнее сумели американские ученые под руководством Юя Хуана (Yu Huang) из Калифорнийского Университета. Авторы работали с тонкопленочным топливным элементом, на анод которого наносли пленку грамотрицательных бактериий Shewanella. Эти бактерии широко распространены и в почве, грунтовой и морской воде и могут выживать как в аэробных, так и в анаэробных условиях и считаются идеальными кандидатами для использования в микробных топливных элементах.

Хуан и его коллеги начали с того, что изготовили углеродные аноды трех типов: без дополнительного покрытия, с покрытием на основе восстановленного оксида графена (rGO) и с покрытием из композита восстановленного оксида графена с серебром (rGO/Ag). Восстановленный оксид графена ученые добавили для того, чтобы снизить сопротивление, а серебро — чтобы облегчить передачу электронов от бактерий к аноду. Затем электроды помещали в слабощелочной раствор, содержащий бактерии и питательные вещества для них. Хуан и его коллеги опасались, что антимикробное действие серебра может помешать размножению бактерий и пленка на аноде окажется недостаточно плотной. Однако, оказалось, в виде композита с восстановленным оксидом графена серебро для бактерий Shewanella неопасно.

Выживаемость бактерий на rGO/Ag электроде оказалась равна 93 процентам, что вполне сравнимо с выживаемостью на rGO электроде (92 процента) и на электроде без покрытия (95 процентов). Более того, сканирующая электронная микроскопия показала, что на rGO/Ag электроде бактерии образуют более плотную пленку.

Плотность тока в тестовой полуячейке с rGO/Ag была в семь раз выше, чем в полуячейке с rGO-электродом в пятнадцать раз выше, чем в полуячейке с электродом без покрытия. Чтобы разобраться в причинах такого впечатляющего улучшения, авторы использовали просвечивающую растровую электронную микроскопию, а также просканировали всю поверхность электрода методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.

Оказалось, что часть серебра отделилась от электрода и переместилась в слой бактерий. Это серебро преимущественно находилось в форме наночастиц со средним размером около пяти нанометров, которые расположились вплотную к мембранам бактерий и даже между внешней и внутренней мембранами, в периплазматическом пространстве.

Авторы предположили, что во время работы топливного элемента от анода отделяются положительно заряженные ионы серебра, которые продвигаются в слой бактерий, а там снова восстанавливаются и превращаются в нейтрально заряженные частицы. Эти частицы в дальнейшем служат своего рода металлическими контактами и облегчают передачу электронов от бактерий к аноду.

Чтобы испытать новые электроды, Хуан и его коллеги изготовили полноценный микробный топливный элемент из двух емкостей на 120 миллилитров, разделенных протон-обменной мембраной. Катод сделали из углерода с добавками платины, а в качестве топлива использовали раствор лактата (соли молочной кислоты).

После оптимизации условий топливные элементы с rGO/Ag продемонстрировали плотность тока 3,85 миллиампера на квадратный сантиметр и мощность в 0,6 милливатт на квадратный сантиметр — это рекорд для микробных топливных элементов.

Сравнение плотности тока и мощности с другими микробными топливными элементами из литературных данных / Cao et al. / Science, 2021

Посчитав точное количество потребленного лактата, авторы также вычислили кулоновскую эффективность (отношение электронов, дошедших до анода к общему количеству электронов, полученных из лактата). Она оказалась равна 81 проценту. По сравнению с эффективностью традиционных топливных элементов это не очень высокое значение, но для микробных — тоже рекорд.