Nghiên cứu truyền bạc vào vi khuẩn để cải thiện hiệu suất năng lượng trong pin nhiên liệu

Nhóm các nhà nghiên cứu và nhà hóa học từ AUCLA (Đại học California, Los Angeles, Hoa Kỳ) đã thực hiện một bước tiến quan trọng trong việc phát triển tế bào nhiên liệu vi sinh - công nghệ điều phối vi khuẩn tự nhiên để chiết xuất các điện tử từ chất hữu cơ trong nước thải để tạo ra dòng điện. Nghiên cứu mô tả chi tiết về bước đột phá gần đây đã được công bố trên tạp chí Science.

​
Mô phỏng tế bào nhiên liệu vi sinh được thúc đẩy từ các hạt nano bạc. Ảnh: AKang, Sphere Studio. Bản quyền: Yu Huang và Xiangfeng Duan

Yu Huang, giáo sư, chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật và Khoa học Vật liệu tại Trường Kỹ thuật Samueli - UCLA, cho biết. "Các quần thể vi khuẩn tự nhiên có thể giúp khử nhiễm nguồn nước ngầm bằng cách phá vỡ các hợp chất hóa học có hại. Giờ đây, hệ thống tương tự của chúng tôi cho thấy một cách thiết thực để khai thác năng lượng từ quá trình này."

Nhóm nghiên cứu tập trung vào vi khuẩn Shewanella, loại vi khuẩn này đã được nghiên cứu rộng rãi về khả năng tạo năng lượng của vi khuẩn. Chúng sinh sôi và phát triển trong mọi loại môi trường - bao gồm đất, nước thải và nước biển - bất kể nồng độ oxy.

Các loài Shewanella phân hủy chất thải hữu cơ thành các phân tử nhỏ hơn một cách tự nhiên, do đó điện trở thành sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất. Khi vi khuẩn phát triển thành màng trên điện cực, một số electron có thể bị bắt giữ, tạo thành pin nhiên liệu vi sinh sản xuất điện.

Tuy nhiên, các tế bào nhiên liệu vi sinh được cung cấp bởi Shewanella oneidensis trước đây không thu nhận đủ dòng điện từ vi khuẩn làm cho công nghệ này trở nên khó đi vào thực tiễn khi sử dụng trong công nghiệp. Rất ít electron có thể di chuyển đủ nhanh để thoát khỏi màng vi khuẩn và đi vào các điện cực để cung cấp đủ dòng điện và năng lượng.

Để giải quyết vấn đề này, các điện cực đã được lắp sẵn các hạt sơ đồ của bạc vào các điện cực bằng bạc được cấu tạo từ một loại ôxít graphene. Các hạt nano giải phóng các ion bạc, mà vi khuẩn khử thành các hạt nano bạc bằng cách sử dụng các điện tử được tạo ra từ quá trình trao đổi chất của chúng và sau đó kết hợp vào tế bào của chúng. Khi đã ở bên trong vi khuẩn, các hạt này hoạt động như các dây dẫn truyền vi khuẩn, thu giữ nhiều điện tử hơn do vi khuẩn tạo ra.

Với hiệu suất vận chuyển điện tử được cải thiện đáng kể, màng Shewanella truyền bạc tạo ra hơn 80% các điện tử chuyển hóa ra mạch bên ngoài, tạo ra công suất 0,66 miliwatt trên mỗi cm vuông - cao hơn gấp đôi so với lượng điện tử trước đó cho pin nhiên liệu vi sinh vật.

Với dòng điện tăng lên và hiệu suất được cải thiện, nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân, Hoa Kỳ đã chỉ ra rằng pin nhiên liệu được cung cấp bởi vi khuẩn lai Silver-Shewanella có thể mở đường cho sản lượng điện đủ trong các môi trường thực tế.