Исследовательская группа во главе с Ятом Ли, адъюнкт-профессором химии в Калифорнийском университете, Санта-Круз, разработала солнечно-микробное устройство и сообщила об их результатах в работе, опубликованной в американском журнале Chemical Society Нано ACS. Гибридное устройство объединяет микробный топливный элемент (MFC) и тип солнечной батареи, названной фотоэлектрохимической клеткой (PEC). В компоненте MFC бактерии ухудшают органическое вещество в сточных водах, производящих электричество в процессе.
Биологически произвел электричество, поставлен компоненту PEC, чтобы помочь разделению на солнечной энергии воды (электролиз), который производит водород и кислород.Или PEC или устройство MFC могут использоваться одни, чтобы произвести водородный газ. Оба, однако, требуют, чтобы маленькое дополнительное напряжение («внешний уклон») преодолело термодинамический энергетический барьер для протонного сокращения в водородный газ.
Потребность включить дополнительный элемент электроэнергии значительно добавляет к стоимости и осложнению этих типов энергетических конверсионных устройств, особенно в крупных масштабах. В сравнении гибридное солнечно-микробное устройство Ли самоведут и самоподдерживающееся, потому что объединенная энергия от органического вещества (полученный MFC) и солнечный свет (захваченный PEC) достаточна, чтобы стимулировать электролиз воды.
В действительности компонент MFC может рассматриваться как самоподдерживающаяся «биобатарея», которая обеспечивает дополнительное напряжение и энергию к PEC для водородного газового производства. «Единственные источники энергии – сточные воды и солнечный свет», сказал Ли. «Успешная демонстрация такого самопредубежденного, стабильного микробного устройства для водородного производства могла предоставить новое решение, которое может одновременно обратиться к потребности в обработке сточных вод и растущему спросу на экологически чистую энергию».Микробные топливные элементы полагаются на необычные бактерии, известные как электрогенные бактерии, которые в состоянии произвести электричество, передавая метаболически произведенные электроны через их клеточные мембраны к внешнему электроду. Группа лития сотрудничала с исследователями в Ливерморской национальной лаборатории (LLNL), которые изучали электрогенные бактерии и работали, чтобы увеличить работу MFC.
Начальные тесты «доказательства понятия» солнечно-микробного устройства (PEC-MFC) использовали хорошо изученный штамм электрогенных бактерий, выращенных в лаборатории на искусственной питательной среде. Используемые необработанные муниципальные сточные воды последующих тестов из Ливермора Поливают Растение Восстановления. Сточные воды содержали и богатые органические питательные вещества и разнообразную смесь микробов, которые питаются теми питательными веществами, включая естественные штаммы электрогенных бактерий.Когда питается сточными водами и освещенный в солнечном симуляторе, устройство PEC-MFC показало непрерывное производство водородного газа по средней норме 0.05 m3/day, по словам исследователя LLNL и соавтора Фан Цяня.
В то же время мутные черные сточные воды стали более прозрачными. Разрешимый химический спрос на кислород – мера суммы органических соединений в воде, широко используемой в качестве теста на качество воды – уменьшила на 67 процентов более чем 48 часов.Исследователи также отметили, что водородное производство уменьшалось со временем, поскольку бактерии израсходовали органическое вещество в сточных водах.
Пополнение сточных вод в каждом питательном цикле вело, чтобы закончить восстановление поколения электрического тока и водородное производство газа.Цянь сказал, что исследователи оптимистичны относительно коммерческого потенциала для их изобретения. В настоящее время они планируют расширить маленькое лабораторное устройство, чтобы делать больший 40-литровый прототип непрерывно питаемым муниципальными сточными водами.
Если результаты 40-литрового прототипа обещают, они проверят устройство на территории в очистной установке сточных вод.«MFC будет объединен с существующими трубопроводами завода для непрерывной подачи сточных вод, и PEC будет настроен на открытом воздухе, чтобы получить естественное солнечное освещение», сказал Цянь.«К счастью, Золотой штат наделен богатым солнечным светом, который может использоваться для полевого теста», добавил Ли.
Цянь и Хэню Ван, аспирант в лаборатории Ли в Санта-Крузе UC, являются co-first авторами Нано статьи ACS. Среди других соавторов аспирант UCSC Гонгминг Ван; исследователь LLNL Юнцинь Цзяо; и Чжэнь Хэ из Политехнического института Вирджинии & государственного университета.
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом и Министерством энергетики.