Американські вчені покрили анод мікробного паливного елемента композитом зі срібла і відновленого оксиду графена і домоглися рекордної потужності. У процесі роботи елемента таке покриття виділяє наночастинки срібла, які проникають в оболонку бактерій і полегшують транспорт електронів до аноду. Результати дослідження опубліковані в журналі. Мікробний паливний елемент - це пристрій, який перетворює енергію хімічних зв'язків на електроенергію за допомогою мікроорганізмів. На анод такого елемента наносять плівку бактерій, які окисляють компоненти електроліту і передають отримані електрони на електрод. Паливом для бактерій можуть служити різні органічні речовини, в тому числі суміші. Тому в перспективі за допомогою мікробних паливних елементів можна буде вирішувати два завдання одночасно: отримувати електроенергію і переробляти шкідливі відходи - наприклад, компоненти стічних вод.
Однак, поки що потужність мікробних паливних елементів не перевищує 0,3 мілівата на квадратний сантиметр, і для комерційного використання недостатня. Втрати відбуваються на всіх етапах, але найбільше енергії втрачається під час передачі електронів від бактерії до аноду Зробити мікробні паливні елементи ефективніше зуміли американські вчені під керівництвом Юя Хуана (Yu Huang) з Каліфорнійського Університету. Автори працювали з тонкоплівковим паливним елементом, на анод якого наносили плівку грамотрицьких бактеріій. Ці бактерії широко поширені і в ґрунті, грунтовій і морській воді і можуть виживати як в аеробних, так і в анаеробних умовах і вважаються ідеальними кандидатами для використання в мікробних паливних елементах.
Хуан і його колеги почали з того, що виготовили вуглецеві аноди трьох типів: без додаткового покриття, з покриттям на основі відновленого оксиду графену (rGO) і з покриттям з композиту відновленого оксиду графена зі сріблом (rGO/Ag). Відновлений оксид графену вчені додали для того, щоб знизити опір, а срібло - щоб полегшити передачу електронів від бактерій до аноду.
Потім електроди поміщали в слабощілковий розчин, що містить бактерії та поживні речовини для них. Хуан і його колеги побоювалися, що антимікробна дія срібла може перешкодити розмноженню бактерій і плівка на аноді виявиться недостатньо щільною. Однак, виявилося, у вигляді композиту з відновленим оксидом графена срібло для бактерій небезпечно. Виживання бактерій на rGO/Ag електроді дорівнює 93 відсоткам, що цілком можна порівняти з виживанням на rGO електроді (92 відсотки) і на електроді без покриття (95 відсотків). Більш того, скануюча електронна мікроскопія показала, що на rGO/Ag електроді бактерії утворюють більш щільну плівку.
Щільність струму в тестовій напівкомірці з rGO/Ag була в сім разів вищою, ніж у напівкомірці з rGO-електродом у п'ятнадцять разів вищою, ніж у напівкомірці з електродом без покриття. Щоб розібратися в причинах такого вражаючого поліпшення, автори використовували просвічувальну растрову електронну мікроскопію, а також просканували всю поверхню електрода методом енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії. Виявилося, що частина срібла відокремилася від електрода і перемістилася в шар бактерій. Це срібло переважно перебувало у формі наночастинок із середнім розміром близько п'яти нанометрів, які розташувалися впритул до мембран бактерій і навіть між зовнішньою і внутрішньою мембранами, в периплазматичному просторі. Автори припустили, що під час роботи паливного елемента від аноду відокремлюються позитивно заряджені іони срібла, які просуваються в шар бактерій, а там знову відновлюються і перетворюються на нейтрально заряджені частинки. Ці частинки надалі служать своєрідними металевими контактами і полегшують передачу електронів від бактерій до аноду.
Щоб випробувати нові електроди, Хуан і його колеги виготовили повноцінний мікробний паливний елемент з двох ємностей на 120 мілілітрів, розділених протон-обмінною мембраною. Катод зробили з вуглецю з добавками платини, а в якості палива використовували розчин лактату (солі молочної кислоти). Після оптимізації умов паливні елементи з rGO/Ag продемонстрували щільність струму 3,85 мільйампера на квадратний сантиметр і потужність в 0,6 міліват на квадратний сантиметр - це рекорд для мікробних паливних елементів.
Порахувавши точну кількість спожитого лактату, автори також вирахували кулонівську ефективність (відношення електронів, які дійшли до аноду до загальної кількості електронів, отриманих з лактату). Вона дорівнювала 81 відсотку. Порівняно з ефективністю традиційних паливних елементів це не дуже високе значення, але для мікробних - теж рекорд.
Внесок бактерій у сучасну енергетику не обмежується тільки в мікробними паливними елементами. Наприклад, китайські хіміки за допомогою сульфатредукуючих бактерій поліпшили електроди для електролізу води. Бактерії покривають поверхню електрода сульфідом заліза, який полегшує адсорбцію кисень-містних частинок, і електроліз можна проводити при більш низькій напрузі.