Forscher machen großen Schritt in Entwicklung mikrobieller Brennstoffzellen
Ein Team von Ingenieuren und Chemikern unter Leitung der University of California Los Angeles (UCLA) hat einen großen Schritt in der Entwicklung von mikrobiellen Brennstoffzellen gemacht – eine Technologie, die natürliche Bakterien nutzt, um mithilfe von Elektronen aus Abwasser elektrischen Strom zu erzeugen.?Ein diesen Durchbruch beschreibender Artikel („Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells“) wurde kürzlich in Science veröffentlicht.
Shewanella oneidensis – Illustration © Ella Marushchenko, University of Minnesota, „licensed without restriction“
„Lebende Energierückgewinnungssysteme, die Abwasser-Bakterien nutzen, stellen einen Doppelerfolg in den Bemühungen um ökologische Nachhaltigkeit dar“, so Mitautor Yu Huang, Professor und Leiter der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Samueli School of Engineering der UCLA. „Die natürlichen Bakterienpopulationen können bei der Dekontaminierung des Grundwassers helfen, indem sie schädliche chemische Verbindungen abbauen. Unsere Forschung zeigt nun auch einen praktischen Weg auf, um erneuerbare Energie aus diesem Prozess zu gewinnen.?“
Das Team konzentrierte sich auf die Bakteriengattung Shewanella, die wegen ihrer Fähigkeiten zur Energiegewinnung eingehend untersucht worden ist. Sie können unabhängig vom Sauerstoffgehalt in allen Arten von Umgebungen wachsen und gedeihen – einschließlich Boden, Abwasser und Meerwasser. Shewanella-Arten zerlegen auf natürliche Weise organische Abfallstoffe in kleinere Moleküle, wobei Elektronen als Nebenprodukt des Stoffwechselprozesses entstehen.?Wenn die Bakterien als Filme auf Elektroden wachsen, kann ein Teil der Elektronen eingefangen werden, wodurch eine mikrobielle Brennstoffzelle entsteht, die Strom erzeugt.
Allerdings haben mikrobielle Brennstoffzellen, die von Shewanella oneidensis angetrieben werden, bisher nicht genug Strom von den Bakterien aufgenommen, um die Technologie in der Praxis für den industriellen Einsatz zu nutzen. Nur wenige Elektronen konnten sich schnell genug bewegen, um die Bakterienmembranen zu verlassen und in die Elektroden einzudringen, um ausreichende elektrische Energie bereit zu stellen.
Um dieses Problem zu lösen, fügten die Forscher den aus einer Art Graphenoxid bestehenden Elektroden Nanopartikel aus Silber hinzu. Die Nanopartikel setzten Silberionen frei, die von den Bakterien mit Hilfe von Elektronen aus ihrem Stoffwechsel zu Silbernanopartikeln reduziert und dann in ihre Zellen eingebaut werden. Im Inneren der Bakterien wirken die Silberpartikel wie mikroskopische Übertragungsdrähte, die weitere von den Bakterien erzeugte Elektronen einfangen.
„Das Einfügen der Silber-Nanopartikel in die Bakterien ist wie die Schaffung einer eigenen Schnellspur für Elektronen, die es uns ermöglicht, mehr Elektronen mit höherer Geschwindigkeit zu extrahieren.“
Mit einer stark verbesserten Elektronentransporteffizienz gibt der resultierende, mit Silber durchsetzte Shewanella-Film mehr als 80 % der metabolischen Elektronen an einen externen Stromkreis ab und erzeugt eine Leistung von 0,66 Milliwatt pro Quadratzentimeter – mehr als das Doppelte des bisherigen Bestwertes für Brennstoffzellen auf Mikrobenbasis. Mit der erhöhten Stromstärke und den verbesserten Wirkungsgraden zeigt die Studie, dass Brennstoffzellen, die von Silber-Shewanella-Hybridbakterien angetrieben werden, den Weg für eine ausreichende Leistung in der Praxis ebnen können.
->Quellen:
- samueli.ucla.edu/researchers-infuse-bacteria-with-silver-to-improve-power-efficiency-in-fuel-cells
- Bocheng Cao, Zipeng Zhao, Lele Peng, Hui-Ying Shiu, Mengning Ding, Frank Song, Xun GuanCalvin K. Lee, Jin Huang, Yu Huang: Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells, in: Science – doi.org/10.1126/science.abf3427.