Группа исследователей под руководством Ята Ли, доцента химии Калифорнийского университета в Санта-Крузе, разработала солнечно-микробное устройство и сообщила о своих результатах в статье, опубликованной в журнале Американского химического общества ACS Nano. Гибридное устройство сочетает в себе микробный топливный элемент (MFC) и тип солнечного элемента, называемый фотоэлектрохимическим элементом (PEC).
В компоненте MFC бактерии разлагают органические вещества в сточных водах, вырабатывая при этом электричество. Произведенное биологическим путем электричество доставляется в компонент PEC, чтобы способствовать расщеплению воды с помощью солнечной энергии (электролиз), который генерирует водород и кислород.
Либо устройство PEC, либо MFC может использоваться отдельно для производства газообразного водорода. Оба, однако, требуют небольшого дополнительного напряжения («внешнего смещения») для преодоления термодинамического энергетического барьера для восстановления протонов в газообразный водород. Необходимость включения дополнительного элемента электроэнергии значительно увеличивает стоимость и усложняет эти типы устройств преобразования энергии, особенно в больших масштабах.
Для сравнения, гибридное солнечно-микробное устройство Ли является самоуправляемым и автономным, потому что объединенной энергии органического вещества (собираемого MFC) и солнечного света (захваченного PEC) достаточно для электролиза воды.Фактически, компонент MFC можно рассматривать как автономную «биобатарею», которая обеспечивает дополнительное напряжение и энергию для PEC для генерации газообразного водорода. «Единственными источниками энергии являются сточные воды и солнечный свет», — сказал Ли. «Успешная демонстрация такого самонадеянного, устойчивого микробиологического устройства для производства водорода может предоставить новое решение, которое может одновременно удовлетворить потребность в очистке сточных вод и растущую потребность в чистой энергии».
Микробные топливные элементы полагаются на необычные бактерии, известные как электрогенные бактерии, которые способны генерировать электричество, передавая генерируемые метаболическим путем электроны через клеточные мембраны на внешний электрод. Группа Ли сотрудничала с исследователями Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL), которые изучали электрогенные бактерии и работали над улучшением характеристик MFC. Первоначальные «проверочные» испытания солнечно-микробного (PEC-MFC) устройства использовали хорошо изученный штамм электрогенных бактерий, выращенных в лаборатории на искусственной питательной среде.
В последующих тестах использовались неочищенные городские сточные воды Ливерморского водоочистного завода. Сточные воды содержали как богатые органическими питательными веществами, так и разнообразные микробы, которые питаются этими питательными веществами, включая естественные штаммы электрогенных бактерий.
По словам исследователя и соавтора LLNL Фан Цяня, при подаче сточной воды и освещении в имитаторе солнечной энергии устройство PEC-MFC показало непрерывное производство газообразного водорода со средней скоростью 0,05 м3 / день. В то же время мутные черные сточные воды стали более прозрачными.
Потребность в растворимом химическом кислороде — мера количества органических соединений в воде, широко используемая в качестве теста качества воды — снизилась на 67 процентов за 48 часов.Исследователи также отметили, что образование водорода со временем снижалось, поскольку бактерии использовали органические вещества в сточных водах. Пополнение сточных вод в каждом питательном цикле привело к полному восстановлению выработки электрического тока и производства газообразного водорода.
Цянь сказал, что исследователи с оптимизмом смотрят на коммерческий потенциал своего изобретения. В настоящее время они планируют масштабировать небольшое лабораторное устройство, чтобы создать более крупный 40-литровый прототип, непрерывно питаемый городскими сточными водами.
Если результаты 40-литрового прототипа будут обнадеживающими, они протестируют устройство на месте на станции очистки сточных вод.«МФЦ будет интегрирован с существующими трубопроводами завода для непрерывной подачи сточных вод, а РЭК будет установлен на открытом воздухе, чтобы получать естественное солнечное освещение», — сказал Цянь.
«К счастью, в Золотом штате много солнечного света, который можно использовать для полевых испытаний», — добавил Ли.Цянь и Ханью Ван, аспиранты лаборатории Ли в Калифорнийском университете в Санта-Круз, являются соавторами статьи ACS Nano. Среди других соавторов — аспирант UCSC Гунмин Ван; Исследователь LLNL Юнцинь Цзяо; и Чжэнь Хэ из Политехнического института Вирджинии Государственный университет.
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом и Министерством энергетики.