Технология биотопливных элементов позволяет преобразовать химическую энергию органического вещества в электроэнергию за счет метаболизма бактерий. С помощью микробных топливных элементов (МТЭ) можно будет одновременно решать две задачи: получать электроэнергию и перерабатывать отходы. Такую технологию можно применять, например, в системе очистных сооружений. Однако широкому исполь зованию МТЭ препятствует высокая стоимость некоторых компонентов: протонопроводящей мембраны, медиатора, материала электродов.
Результаты исследований опубликованы в новом номере журнала Nanobiotechnology Reports.
Ученые Курчатовского института создали микробный топливный элемент, в котором вместо дорогостоящей мембраны, разделяющей анодную и катодную камеры, использовали солевой мостик — трубку, заполненную смесью раствора калийной соли и агар-агара и предназначенную для переноса положительно заряженных частиц (протонов) от анода к катоду. Эффективность транспорта протонов понизилась, но стоимость электроэнергии, генерируемой таким МТЭ, оказалась на порядок ниже.
В качестве электролита катодной камеры исследователи использовали фототрофные микроводоросли Chlorella vulgaris, способные выделять кислород и поглощать углекислый газ. Благодаря генерации дополнительного кислорода микроводорослями увеличилась скорость реакций, происходящих на катоде, и в результате повысилась в целом эффективность работы МТЭ.
Также в усовершенствованной конструкции МТЭ исследователи применили метод безмедиаторного переноса заряда с микроорганизмов на электрод. Дело в том, что для повышения эффективности переноса электронов на анод зачастую используют медиатор — химическое соединение, способное участвовать в окислительно-восстановительных реакциях как с ферментами микроорганизмов, так и с материалом электрода. При использовании биотопливных элементов, например, при очистке сточных вод применение таких медиаторов затруднительно: те из них, что закрепляются на электроде, отличаются высокой стоимостью, а растворимые будут постоянно смываться течением жидкостей.
"В нашей технологии транспорт электрона с микроорганизма протекает сразу на электрод, — рассказала Мария Вишневская, младший научный сотрудник лаборатории биоэлектроники и квантовой биологии НИЦ "Курчатовский институт". — Как правило, такой подход приводит к снижению эффективности транспорта заряда и, соответственно, падению мощности МТЭ. Чтобы минимизировать этот эффект, мы предложили два решения. Во-первых, в качестве материала электрода подобрали электропроводящую графитированную ткань с высокой электропроводимостью. Во-вторых, применили метод иммобилизации микроорганизмов с использованием смеси полимеров, включая электропроводящие".
Исследователи измеряли электрохимические показатели работы безмембранного МТЭ в течение 113 дней. За этот период была зафиксирована высокая стабильная мощность микробного топливного элемента. Сегодня ученые НИЦ "Курчатовский институт" готовят эксперименты по более длительной эксплуатации устройства уже в условиях, максимально приближенных к реальным.
"Ожидается, что срок работы таких устройств будет исчисляться годами, если на аноде будет стабильно находиться биопленка микроорганизмов, так как остальные компоненты установки (электроды, корпуса камер и так далее) в тех условиях, в которых планируется их эксплуатация, не должны подвергаться ускоренному старению", — отметила Мария Вишневская.