탄소

Aug 30, 2023

중국 환경과학회

이미지: A, 이 연구에서 테스트한 4개의 SMFC의 설계 및 전극 재료. b, 음극 어셈블리. c, 실험 설정.더보기

학점: 환경 과학 및 생태 기술

에너지 수요가 증가하고 환경 문제가 우려되는 상황에서 재생 에너지 솔루션은 2050년까지 순배출 제로를 달성하는 데 매우 중요합니다. SMFC와 같은 미생물 전기화학 기술은 비용 효율적이고 환경 친화적이므로 녹색 에너지 시스템을 위한 매력적인 옵션입니다. . SMFC는 토양에 존재하는 내인성 미생물을 활용하여 유기물을 전기로 변환하여 지속 가능한 에너지원과 오염된 토양에 대한 자가 동력 현장 생물정화 전략을 제공합니다.

음극재는 미생물 연료전지의 성능에 중요한 역할을 합니다. 본 연구에서 연구자들은 탄소 천, Pt 도핑 탄소 천, 흑연 펠트 및 혁신적인 Fe 도핑 탄소 나노섬유 전극 등 4가지 음극을 사용하여 멤브레인이 없는 공기 음극 SMFC의 성능을 비교했습니다. 연구진은 전극 재료가 생물막 형성 및 전기화학적 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 미생물 분류학적 분석과 함께 장기간에 걸쳐 전기화학적 테스트를 수행했습니다.

2023년 4월 Environmental Science and Ecotechnology 저널 16권에 발표된 연구에서, University of Bath의 연구원들은 Fe가 도핑된 탄소 나노섬유와 Pt가 도핑된 탄소 천 음극이 25.5mW와 30.4mW의 피크 전력 밀도로 안정적인 성능을 나타냈다고 밝혔습니다. m−2입니다. 흑연 펠트 음극은 87.3mWm−2의 피크 전력 밀도로 최고의 전기화학적 성능을 보여주었습니다. 그러나 그들은 또한 가장 큰 불안정성을 보였습니다.

미생물 군집을 조사한 결과 양극 및 음극 군집 간의 차이점이 발견되었습니다. 양극은 주로 Geobacter 및 Pseudomonas 종이 풍부한 반면, 음극 공동체는 수소 생산 및 수소 영양 박테리아가 지배했습니다. 이는 수소 순환이 가능한 전자 전달 메커니즘일 수 있음을 시사합니다. 또한 순환 전압전류법 결과와 함께 질산염 환원 박테리아의 존재는 흑연 펠트 음극에서 미생물 질산염 환원이 발생했음을 나타냅니다.

혁신적인 Fe 도핑 탄소 나노섬유 음극의 사용은 Pt 도핑 탄소 천에 필적하는 전기화학적 성능을 제공하여 저렴한 대안을 제시합니다. 그러나 흑연은 테스트된 다른 모든 전극보다 성능이 뛰어났지만 재현성이 낮고 물질 전달 손실이 더 높았습니다. 음극 생물막의 미생물 분류학적 프로파일링을 통해 산소 감소와 관련된 분류군의 존재 또는 질산염과 같은 대체 전자 수용체 활용에 관여하는 것으로 나타났습니다.

이 연구의 결과는 에너지 수확 및 생물학적 정화 분야의 실제 적용을 위한 저비용, 고성능 SMFC에 대한 향후 연구를 안내할 수 있습니다. 전극 재료가 미생물 군집과 전기화학적 성능에 어떻게 영향을 미치는지 이해함으로써 연구자들은 SMFC를 실제 구현으로 전환하는 것을 가속화할 수 있습니다.

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참고자료

저자

Arpita Nandy a, Daniel Farkas b, Belén Pepió-Tárrega c, Sandra Martinez-Crespiera c, Eduard Borràs c, Claudio Avignone-Rossa b, Mirella Di Lorenzo a

소속

영국 BA2 7AY, Claverton Down, University of Bath, 화학공학과 및 바이오센서, 생체전자공학 및 생체장치 센터(C3Bio)

b 영국 GU2 7XH 길퍼드 서리대학교 미생물과학과

c LEITAT 기술 센터, C/ de la Innovación, 2, 08225, Terrassa, Barcelona, ​​​​스페인

환경과학과 생태기술

10.1016/j.ese.2023.100276

해당 없음

토양 미생물 연료 전지의 생물막 구성 및 전기 화학적 성능에 대한 탄소 기반 음극의 영향