En ny enhed, der kun bruger sollys og spildevand til at producere brintgas, kan give en bæredygtig energikilde.
Et forskerteam ledet af Yat Li, lektor i kemi ved University of California, Santa Cruz, udviklede det solcellemikrobielle udstyr og rapporterede deres resultater i et papir, der blev offentliggjort i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano. Hybridenheden kombinerer en mikrobiel brændselscelle (MFC) og en type solcelle kaldet en fotoelektrokemisk celle (PEC). I MFC-komponenten nedbryder bakterier organisk stof i spildevandet og genererer elektricitet under processen. Den biologisk producerede elektricitet leveres til PEC-komponenten for at hjælpe med den solcelledrevne opdeling af vand (elektrolyse), der genererer brint og ilt.
Første solopgang om efteråret af vores ven Mary C. Cox i North Carolina.
Enten en PEC- eller MFC-enhed kan bruges alene til at producere brintgas. Begge kræver imidlertid en lille ekstra spænding (en "ekstern bias") for at overvinde den termodynamiske energibarriere til protonreduktion til brintgas. Behovet for at inkorporere et ekstra elektrisk kraftelement øger omkostningen og komplikationen af disse typer energikonverteringsindretninger betydeligt, især i store skalaer. Til sammenligning er Li's hybride sol-mikrobielle enhed selvdrevet og selvbærende, fordi den kombinerede energi fra det organiske stof (høstet af MFC) og sollys (fanget af PEC) er tilstrækkelig til at drive elektrolyse af vand.
I virkeligheden kan MFC-komponenten betragtes som et selvbærende “bio-batteri”, der giver PEC ekstra spænding og energi til brintgasgenerering. ”De eneste energikilder er spildevand og sollys,” sagde Li. "Den vellykkede demonstration af en sådan selvforsinket, bæredygtig mikrobiel anordning til brintgenerering kunne give en ny løsning, der samtidig kan imødekomme behovet for spildevandsrensning og det stigende behov for ren energi."
Mikrobielle brændselsceller er afhængige af usædvanlige bakterier, kendt som elektrogeniske bakterier, der er i stand til at generere elektricitet ved at overføre metabolisk genererede elektroner over deres cellemembraner til en ekstern elektrode. Li's gruppe samarbejdede med forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), der har undersøgt elektrogeniske bakterier og arbejdet for at forbedre MFC-ydelsen. De første "proof-of-concept" -test af solcellemikrobiel (PEC-MFC) enhed anvendte en godt studeret stamme af elektrogeniske bakterier dyrket i laboratoriet på kunstigt vækstmedium. Efterfølgende test anvendte ubehandlet kommunalt spildevand fra Livermore Water Reclamation Plant. Spildevandet indeholdt både rige, organiske næringsstoffer og en forskellig blanding af mikrober, der fodrer med disse næringsstoffer, inklusive naturligt forekommende stammer af elektroge bakterier.
Roman solmikrobiel enhed til generering af brintbrændstof. Foto af Song Yang
Når den blev fodret med spildevand og belyst i en solsimulator, viste PEC-MFC-enheden kontinuerlig produktion af brintgas med en gennemsnitlig hastighed på 0,05 m3 / dag, ifølge LLNL-forsker og medforfatter Fang Qian. Samtidig blev det uklare sort spildevand klarere. Det opløselige kemiske iltbehov - et mål for mængden af organiske forbindelser i vand, der i vid udstrækning blev anvendt som vandkvalitetstest - faldt med 67 procent i løbet af 48 timer.
Forskerne bemærkede også, at brintgenerering faldt med tiden, da bakterierne brugte det organiske stof i spildevandet. Genopfyldning af spildevandet i hver fodringscyklus førte til fuldstændig restaurering af elektrisk strømgenerering og brintgasproduktion.
Qian sagde, at forskerne er optimistiske med hensyn til det kommercielle potentiale for deres opfindelse. I øjeblikket planlægger de at opskalere den lille laboratorieenhed for at fremstille en større 40-liters prototype kontinuerligt fodret med kommunalt spildevand. Hvis resultater fra 40-liters prototypen er lovende, tester de enheden på stedet i spildevandsrensningsanlægget.
"MFC vil blive integreret med de eksisterende rørledninger i anlægget til kontinuerlig spildevandsfodring, og PEC vil blive oprettet udendørs for at modtage naturlig solbelysning," sagde Qian.
”Heldigvis er Golden State velsignet med rigeligt sollys, der kan bruges til feltprøven,” tilføjede Li.
Via UC Santa Cruz