Il team guidato dall'AUCLA di ingegneri e chimici ha compiuto un importante passo avanti nello sviluppo di celle a combustibile microbiche, una tecnologia che utilizza batteri naturali per estrarre elettroni dalla materia organica nelle acque reflue per generare correnti elettriche. Uno studio che descrive in dettaglio la svolta è stato recentemente pubblicato in Scienza .

"I sistemi viventi di recupero dell'energia che utilizzano i batteri presenti nelle acque reflue offrono un doppio vantaggio per gli sforzi di sostenibilità ambientale, " ha detto l'autore corrispondente Yu Huang, professore e presidente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la UCLASamueli School of Engineering. "Le popolazioni naturali di batteri possono aiutare a decontaminare le acque sotterranee abbattendo i composti chimici dannosi. Ora, la nostra ricerca mostra anche un modo pratico per sfruttare l'energia rinnovabile da questo processo".

Il team si è concentrato sul genere batterico Shewanella , che sono stati ampiamente studiati per le loro capacità di generazione di energia. Possono crescere e prosperare in tutti i tipi di ambienti, inclusi suolo, acque reflue e acqua di mare, indipendentemente dai livelli di ossigeno.

Shewanella specie scompongono naturalmente i rifiuti organici in molecole più piccole, con gli elettroni essendo un sottoprodotto del processo metabolico. Quando i batteri crescono come pellicole sugli elettrodi, alcuni degli elettroni possono essere catturati, formando una cella a combustibile microbica che produce elettricità.

Però, celle a combustibile microbiche alimentate da Shewanella oneidensis in precedenza non hanno catturato abbastanza correnti dai batteri per rendere la tecnologia pratica per l'uso industriale. Pochi elettroni potrebbero muoversi abbastanza velocemente da sfuggire alle membrane dei batteri ed entrare negli elettrodi per fornire correnti elettriche e potenza sufficienti.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno aggiunto nanoparticelle di argento a elettrodi composti da un tipo di ossido di grafene. Le nanoparticelle rilasciano ioni d'argento, quali batteri riducono a nanoparticelle d'argento utilizzando gli elettroni generati dal loro processo metabolico e poi incorporano nelle loro cellule. Una volta dentro i batteri, le particelle d'argento agiscono come fili di trasmissione microscopici, catturando più elettroni prodotti dai batteri.

"Aggiungere le nanoparticelle d'argento nel batterio è come creare una corsia espressa dedicata per gli elettroni, che ci ha permesso di estrarre più elettroni e a velocità maggiori, " ha detto Xiangfeng Duan, l'altro autore corrispondente dello studio e professore di chimica e biochimica all'UCLA.

Con un'efficienza di trasporto degli elettroni notevolmente migliorata, il risultante infuso d'argento Shewanella il film invia più dell'80% degli elettroni metabolici al circuito esterno, generando una potenza di 0,66 milliwatt per centimetro quadrato, più del doppio della precedente migliore per le celle a combustibile a base microbica.

Con l'aumento delle efficienze correnti e migliorate, lo studio, che è stato sostenuto dall'Ufficio di ricerca navale, ha mostrato che le celle a combustibile alimentate da argento- Shewanella i batteri ibridi possono aprire la strada a una potenza sufficiente in ambienti pratici.

Bocheng Cao, uno studente di dottorato dell'UCLA consigliato sia da Huang che da Duan, è il primo autore dell'articolo. Altri autori senior dell'UCLA sono Gerard Wong, un professore di bioingegneria; Paul Weiss, una sedia presidenziale UC e illustre professore di chimica e biochimica, bioingegneria, e scienza e ingegneria dei materiali; e Chong Liu, un assistente professore di chimica e biochimica. KennethNealson, un professore emerito di scienze della terra all'USC, è anche un autore senior.

Duan, Huang e Weiss sono tutti membri del California NanoSystems Institute dell'UCLA.