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微生物燃料電池（MFCs）可以通過微生物代謝將儲存在許多生物降解有機物來源中的化學能直接轉化為電能。多種細菌物種和種類繁多的燃料使MFC成為通過生物質和廢水處理進行可再生生物發電的有吸引力的技術。出于這個原因，MFC越來越受到學術界和工業界的關注。在為這些系統提供動力的細菌中，希瓦氏菌種因其在有氧和厭氧環境中的強勁增長，以及土壤和海水的豐富分布而受到廣泛研究，用于生物恢復和環境能源回收。然而，從典型的希瓦氏菌MFC獲得的電流密度和功率密度通常太低，不適合實際應用。由于細菌負載能力低和/或細胞外電子傳輸效率相對較差，低功耗輸出在很大程度上受到細菌陽極的限制。

在MFCs的細菌中，細菌細胞質中代謝過程產生的電子通過一系列直接或間接的電子傳遞過程轉移到電極表面。總體而言，跨膜和細胞外電子傳輸過程通常涉及緩慢的電子躍遷過程，因為要經過非典型導體的氧化還原中心或多個氧化還原循環，這可能會嚴重限制電荷傳輸效率。因此，為了突破當前MFC的功率限制，必須設計可以從根本上解決這些電荷傳遞限制的陽極，以有效地將代謝電子提取到外部電極。

加州大學洛杉磯分校的段鑲鋒/黃昱夫婦在Science上發表最新的研究成果Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells，他們發現還原氧化石墨烯-銀納米顆粒陽極可以繞過其中一些問題，從而大幅提高電流和功率密度。

作者報告了一個合理的策略，以促進用還原氧化石墨烯-銀納米顆粒（rGO/Ag）支架構建的希瓦氏菌MFCs的跨膜和細胞外電子傳輸過程。作者的系統研究表明，rGO/Ag可以釋放帶正電荷的銀離子，這有助于希瓦氏菌附著在rGO/Ag骨架上，形成致密的生物膜，并產生希瓦氏菌-Ag復合物。電子顯微鏡顯示，銀納米顆粒嵌入或附著在外細胞膜上，這可能有助于電子從內部電子載體轉移到陽極。這些改進大大提高了電子傳輸效率和電荷提取效率，提高了細菌周轉頻率（TOF），并提高整體MFC性能。

由此產生的希瓦氏菌-銀MFC提供的最大電流密度為3.85 mA/cm²，功率密度為0.66 mW/cm²，單細胞周轉頻率為8.6×10⁵/s，所有這些都大大高于迄今為止報告的最佳MFC。此外，混合MFC具有出色的燃料利用效率，庫侖效率為81%。

圖文詳情

段鑲鋒/黃昱夫婦聯手發Science！

圖1. 希瓦氏菌生物膜的表征

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圖2. 不同陽極的希瓦氏菌MFC性能比較

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圖3. 不同陽極下希瓦氏菌MFC的周轉頻率(TOFs)

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圖4. 單個細菌跨膜結構的表征

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圖5. EIS阻抗測試

文獻信息

Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells. Cao et al., Science 373, 1336–1340 (2021).

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abf3427

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