El equipo de ingenieros y químicos liderado por AUCLA ha dado un gran paso adelante en el desarrollo de celdas de combustible microbianas, una tecnología que utiliza bacterias naturales para extraer electrones de la materia orgánica en las aguas residuales para generar corrientes eléctricas. Recientemente se publicó un estudio que detalla el avance en Ciencias .

"Los sistemas vivos de recuperación de energía que utilizan bacterias que se encuentran en las aguas residuales ofrecen un doble impacto para los esfuerzos de sostenibilidad ambiental, "dijo el coautor correspondiente Yu Huang, profesor y presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la UCLASamueli. "Las poblaciones naturales de bacterias pueden ayudar a descontaminar el agua subterránea al descomponer los compuestos químicos dañinos. Ahora, nuestra investigación también muestra una forma práctica de aprovechar la energía renovable de este proceso ".

El equipo se centró en el género bacteriano Shewanella , que han sido ampliamente estudiados por sus capacidades de generación de energía. Pueden crecer y prosperar en todo tipo de entornos, incluido el suelo, aguas residuales y agua de mar, independientemente de los niveles de oxígeno.

Shewanella Las especies descomponen de forma natural la materia de desecho orgánica en moléculas más pequeñas, siendo los electrones un subproducto del proceso metabólico. Cuando las bacterias crecen como películas sobre electrodos, algunos de los electrones se pueden capturar, formando una pila de combustible microbiana que produce electricidad.

Sin embargo, pilas de combustible microbianas alimentadas por Shewanella oneidensis previamente no han capturado suficientes corrientes de las bacterias para hacer que la tecnología sea práctica para uso industrial. Pocos electrones podrían moverse lo suficientemente rápido para escapar de las membranas de las bacterias y entrar en los electrodos para proporcionar suficiente energía y corrientes eléctricas.

Para abordar este asunto, los investigadores agregaron nanopartículas de plata a los electrodos que están compuestos de un tipo de óxido de grafeno. Las nanopartículas liberan iones de plata, que las bacterias reducen a nanopartículas de plata utilizando electrones generados a partir de su proceso metabólico y luego se incorporan a sus células. Una vez dentro de la bacteria, las partículas de plata actúan como cables de transmisión microscópicos, capturando más electrones producidos por las bacterias.

"Agregar las nanopartículas de plata a las bacterias es como crear un carril expreso dedicado para electrones, lo que nos permitió extraer más electrones y a velocidades más rápidas, "dijo XiangfengDuan, el otro autor correspondiente del estudio y profesor de química y bioquímica en UCLA.

Con una eficiencia de transporte de electrones muy mejorada, la infusión de plata resultante Shewanella la película emite más del 80% de los electrones metabólicos al circuito externo, generando una potencia de 0,66 milivatios por centímetro cuadrado, más del doble de lo mejor para las pilas de combustible basadas en microbios.

Con la mayor eficiencia actual y mejorada, el estudio, que fue apoyado por la Oficina de Investigaciones Navales, demostró que las pilas de combustible alimentadas por plata Shewanella Las bacterias híbridas pueden allanar el camino para una producción de energía suficiente en entornos prácticos.

BochengCao, un estudiante de doctorado de UCLA asesorado por Huang y Duan, es el primer autor del artículo. Otros autores senior de UCLA son Gerard Wong, profesor de bioingeniería; Paul Weiss, una cátedra presidencial de la UC y profesor distinguido de química y bioquímica, bioingeniería, y ciencia e ingeniería de materiales; y Chong Liu, profesor asistente de química y bioquímica. KennethNealson, profesor emérito de ciencias de la tierra en la USC, también es un autor principal.

Duan, Huang y Weiss son todos miembros del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA.