炭素

May 26, 2023

中国環境科学学会

画像: A、この研究でテストされた 4 つの SMFC の設計と電極材料。 b、カソードアセンブリ。 c、実験のセットアップ。もっと見る

クレジット: 環境科学とエコテクノロジー

エネルギー需要の増大と環境への懸念を背景に、2050 年までに実質ゼロ排出を達成するには再生可能エネルギー ソリューションが不可欠です。SMFC などの微生物電気化学技術はコスト効率が高く、環境に優しいため、グリーン エネルギー システムにとって魅力的な選択肢となっています。 。 SMFC は土壌内に存在する内因性微生物を利用して有機物を電力に変換し、持続可能なエネルギー源と汚染土壌に対する自力発電型現場バイオレメディエーション戦略を提供します。

カソード材料は微生物燃料電池の性能に重要な役割を果たします。 この研究では、研究者らは 4 つの異なるカソード (カーボン クロス、Pt ドープ カーボン クロス、グラファイト フェルト、および革新的な Fe ドープ カーボン ナノファイバー電極) を使用して、無膜空気陰極 SMFC の性能を比較しました。 研究者らは、バイオフィルム形成と電気化学的性能に対する電極材料の影響を評価するために、微生物分類学的分析と併せて電気化学的試験を長期間にわたって実施した。

2023年4月にジャーナル『Environment Science and Ecotechnology』第16巻に掲載された研究で、バース大学の研究者らは、FeドープカーボンナノファイバーとPtドープカーボンクロスカソードが25.5mWと30.4mWのピーク出力密度で安定した性能を発揮することを明らかにした。それぞれm−2。 グラファイトフェルトカソードは、87.3 mW m-2 のピーク電力密度で最高の電気化学的性能を示しました。 ただし、最大の不安定性も示しました。

微生物群集の検査により、陽極群集と陰極群集の間に違いがあることがわかりました。 アノードには主にジオバクター種とシュードモナス種が豊富に含まれていましたが、カソードのコミュニティでは水素生成細菌と水素栄養性細菌が大半を占めていました。 これは、水素循環が電子移動メカニズムである可能性があることを示唆しています。 さらに、硝酸塩還元細菌の存在とサイクリックボルタモグラム結果の組み合わせにより、グラファイトフェルト陰極で微生物による硝酸塩還元が起こっていることが示されました。

革新的な Fe ドープ カーボン ナノファイバー カソードの使用により、Pt ドープ カーボン クロスと同等の電気化学的性能が得られ、低コストの代替品が提供されました。 ただし、グラファイト フェルトはテストした他のすべての電極よりも優れた性能を示しましたが、再現性が低く、物質輸送損失が高くなりました。 カソードバイオフィルムの微生物分類学的プロファイリングにより、酸素の還元に関連する分類群の存在、または硝酸塩などの代替電子受容体の利用への関与が明らかになりました。

この研究の結果は、エネルギーハーベスティングやバイオレメディエーションにおける実用化に向けた、低コストで高性能の SMFC に関する将来の研究の指針となる可能性があります。 電極材料が微生物群集や電気化学的性能にどのような影響を与えるかを理解することで、研究者は SMFC の現実世界への導入を加速できます。

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参考文献

著者

アルピタ・ナンディ a、ダニエル・ファルカス b、ベレン・ペピオ＝タレガ c、サンドラ・マルティネス＝クレスピエラ c、エドゥアルド・ボラス c、クラウディオ・アヴィニョーネ＝ロッサ b、ミレッラ・ディ・ロレンツォ a

所属

a 化学工学部およびバイオセンサー、バイオエレクトロニクスおよびバイオデバイス (C3Bio) センター、バース大学、クラバートンダウン、BA2 7AY、英国

b サリー大学微生物科学部、ギルフォード、GU2 7XH、英国

c LEITAT Technological Center、C/ de la Innovación、2、08225、テラサ、バルセロナ、スペイン

環境科学とエコテクノロジー

10.1016/j.ese.2023.100276

適用できない

土壌微生物燃料電池におけるバイオフィルム組成および電気化学的性能に対する炭素ベースのカソードの影響

2023 年 4 月 8 日

著者らは、この論文で報告されている研究に影響を与えた可能性がある既知の競合する経済的利益や個人的関係を持っていないことを宣言します。

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