Вченим зі США вдалося суттєво покращити електричні характеристики мікробного паливного елементу шляхом використання нового електроду на основі відновленого оксиду графену та наночастинок срібла. Саме завдяки наночастинкам срібла бактерії Shewanella сформували щільну біоплівку на поверхні електроду із продуктивним трансфером електронів. Про нову розробку вчені повідомили у журналі Science.
На малюнку наведено схематичне зображення мікробного паливного елементу та відповідна електрична схема. Rbiofilm - опір обумовлений позаклітинним переносом електронів, Rion - опір обумовлений перенесенням іонів, Rsol-1 та Rsol-2- опір розчину у відповідній комірці, RPEM - опір протонобмінної мембрани, Rct - опір обумовлений катодною реакцією. Bocheng Cao et al. / Science, 2021.
Що таке мікробні паливні елементи та як вони працюють?
Мікробні паливні елементи - це такі системи, що використовують метаболічні шляхи мікроорганізмів для перетворення хімічної енергії органічних речовин на електричну. Такі пристрої активно вивчаються як джерела відновлювальної електричної енергії та водночас очисники стічних вод. Система схожа на електролітичну комірку. У резервуар з двома розчинами, що розділені протонообмінною мембраною, занурені анод і катод. Поверхня аноду вкрита біоплівкою з бактерій, а в анодній камері в розчині наявні органічні молекули, якими харчуються мікроорганізми. Електрони, що утворюються під час катаболічного окиснення цих речовин в цитоплазмі бактерій переносяться на анод шляхом послідовних окисно-відновних реакцій. Спочатку відбувається трансмембранний транспорт електронів - між внутрішньою та зовнішньою мембраною бактерій, а потім вже позаклітинне перенесення електронів. Кожний з цих етапів може містити декілька проміжних стадій, тому це суттєво обмежує ефективність передачі заряду.
Хоча подібні системи й розробляються вже достатньо давно, досі існує ряд обмежень на застосування їх у реальному житті. Такі елементи генерують відносно невелику кількість електричної енергії. Це може бути обумовлено декількома причинами: недостатнім контактом бактерій з електродом, швидкістю окисно-відновних реакцій в бактеріях або ефективністю перенесення електронів на анод. Тому вчені, перш за все, намагаються покращити електричні характеристики мікробних паливних елементів.
Як наночастинки покращили характеристики мікробної паливної комірки?
Вчені Каліфорнійського університету розробили мікробний паливний елемент, анод якого виготовлений з відновленого оксиду графену та наночастинок срібла (rGO/Ag). Саме ця комбінація дозволила значно покращити ефективність роботи паливного елемента. Попри те, що срібло має антибактеріальні властивості, воно не впливає на бактерії роду Shewanella. На зображеннях конфокальної сканувальної мікроскопії з використанням флуоресцентного барвника видно, що на rGO/Ag електроді кількість живих бактерій навіть вища, ніж на аналогічному за відсутності наночастинок срібла. Утворення більш щільної плівки з бактерій підтвердила і сканувальна електронна мікроскопія.
Електричні характеристики нового електрода суттєво кращі у порівнянні з електродом на основі графену оксиду або графітового паперу. Потужність сягала 0,66 міліват на квадратний сантиметр, що приблизно в 5 разів вище, ніж для простого оксиду графену. А максимальна сила струму була майже 4 міліампер на квадратний сантиметр, тоді як для оксиду графену ця характеристика становила 0,6 міліампер на сантиметр квадратний. Підвищення густини сили струму можна пояснити збільшенням кількості бактерій на поверхні електроду або більш ефективним перенесенням електронів. Методами сканувальної тунельної мікроскопії та енергодисперсійної рентгенівської спектроспії було виявлено, що наночастинки срібла наявні не тільки на поверхні бактерій, але і в міжмембранному просторі. Автори припускають, що на електроді повільно утворюються катіони срібла, які мігрують через мембрану, де відновлюються електронами, утвореними метаболічними реакціями бактерій. Ймовірно, через ці наночастинки електрони мігрують з мембрани до електрода завдяки металічній провідності, що набагато вища за процес перенесення електронів шляхом окисно-відновних реакцій. Позитивний ефект наночастинок додатково підтвердили імпедансною спектроскопією. Опір перенесенню заряду виявився значно меншими для rGO/Ag електроду у порівнянні з графеном оксиду без наночастинок.
Що робити далі?
У майбутньому, для реалізації технології у системі водоочищення, потрібно випробувати паливний елемент на реальних зразках стічних вод. Більшість досліджень виконують на модельних системах, у яких присутній лише один вид бактерій, а розчин містить лише декілька компонентів. Натомість у стічних водах присутні інші мікроорганізми, й дуже різноманітний хімічний склад самого розчину, з якого бактерії мають отримувати свої поживні речовини для окислення, що не може не позначитися на роботі біоелектрохімічного генератора.