Новости: Нанесение покрытий и модификация поверхности (рубрикатор)

Микробные топливные ячейки являются «зеленым» источником энергии. Зеленее некуда. В таких ячейках в качестве маленького биореактора используется целый микроорганизм, с высокой эффективностью перерабатывающий в электричество органические соединения, от вкусных углеводов до бесполезных отходов. Но не все так радужно: низкая мощность и недостаточная стабильность ограничивают практическое применение микробных элементов питания. А мощность микробной топливной ячейки зависит прежде всего от анода, который ассоциирован непосредственно с микроорганизмами.

Для хорошего анода очень важна площадь поверхности, на которой могли бы разместиться бактерии. Мезопористый TiO₂ обладает огромной поверхностью, является биосовместимым, стабильным и экологически безопасным. К сожалению, низкая проводимость TiO₂ не позволяет аноду выдавать высокую мощность. Положение можно исправить, модифицировав анод из мезопористого TiO₂ полианилином (PANI), который характеризуется высокой проводимостью, стабильностью и простотой синтеза. Такой композитный анод PANI/TiO₂ был создан учеными из Сингапура.

Экспериментальным путем было установлено, что лучшие показатели дает анод, содержание PANI в котором составляет 30% (по массе). На рисунке 1 видно, что такой материал, как и немодифицированный TiO₂, содержит поры и обладает развитой поверхностью.

Бактерии на поверхности анода образуют сеть из особых выростов (пилей), чтобы эффективнее присоединяться к подложке и друг к другу (рисунок 2). Не исключено, что через пили осуществляется перенос и избыточных электронов – по крайней мере, пили некоторых металл-восстанавливающих бактерий обладают проводящими способностями. Для E.coli вопрос о роли пилей в передаче электронов в настоящий момент недостаточно изучен. Однако в случае, когда клетки кишечной палочки просто растили в растворе электролита, формирование пилей не наблюдалось.

Производительность композитного анода PANI/TiO₂ изучали в электрохимической ячейке, состоящей из двух камер, разделенных протон-проводящей мембраной. Анод был погружен в 0,1 М фосфатный буфер, содержащий 55 мМ глюкозы, 5 мМ 2-гидрокси-1,4-нафтохинона и клетки E.coli (10⁹ мл^-1); электролит катода состоял из 0,1 М фосфатного буфера и 50 мМ [Fe(CN)₆]^3-. В течение первых 48 часов мощность ячейки возрастала (благодаря тому, что бактерии размножались), а затем выходила на плато и оставалась практически неизменной в течение 450 часов без дополнительного введения глюкозы или других питательных веществ. Через 500 часов после внесения клеток в электрохимическую ячейку мощность резко падала из-за истощения запасов глюкозы (рисунок 3).

Максимальная мощность такой ячейки составила 1495 мВатт/м² (при этом плотность тока равна 3650 мА/м², напряжение 410 мВ). Это в два раза превосходит мощность, которая достигалась в бактериальных топливных ячейках прежде, и это сильно вдохновляет исследователей.

Работа «Nanostructured Polyaniline/Titanium Dioxide Composite Anode for Microbial Fuel Cells» опубликована в ACS Nano.