利用微生物燃料電池(MFCs)中的細(xì)菌發(fā)電

據(jù)估計，到2050年，世界人口將達(dá)到95億。鑒于我們目前的能源大部分來自化石燃料，這在提供足夠的可持續(xù)電力的同時緩解氣候變化方面帶來了重大挑戰(zhàn)。

近幾年來，有一個想法得到了廣泛的關(guān)注，那就是利用微生物燃料電池(MFCs)中的細(xì)菌發(fā)電。這些燃料電池依賴于某些自然存在的微生物的能力，這些微生物能夠“呼吸”金屬，交換電子來產(chǎn)生電能。這一過程可以使用稱為基質(zhì)的物質(zhì)作為燃料，其中包括廢水中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物。

目前，微生物燃料電池能夠發(fā)電，為計算器、小風(fēng)扇和發(fā)光二極管等小型設(shè)備提供動力。在我們的實(shí)驗室里，我們用“模擬廢水”為一棵微型圣誕樹上的燈供電。但如果這項技術(shù)擴(kuò)大規(guī)模，它將大有可為。

MFCs使用一個由陽極和陰極電極組成的系統(tǒng)，可以通過電流輸入或輸出。常見的MFCs系統(tǒng)由一個陽極室和一個被膜隔開的陰極室組成。細(xì)菌在陽極上生長，并將底物轉(zhuǎn)化為二氧化碳、質(zhì)子和電子。

產(chǎn)生的電子隨后通過外部電路轉(zhuǎn)移到陰極室，而質(zhì)子則通過薄膜。在陰極室中，質(zhì)子和電子之間的反應(yīng)會消耗掉氧氣并形成水。只要基底不斷轉(zhuǎn)換，電子就會流動，這就是電。

通過MFCs發(fā)電有許多優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)可以在任何地方建立;它們產(chǎn)生的“污泥”比傳統(tǒng)的廢水處理方法(如活性污泥系統(tǒng))少;它們可以是小規(guī)模的，但模塊化設(shè)計可以用來建立更大的系統(tǒng);它們對鹽度有很高的耐受性;它們可以運(yùn)行在室溫下。

可用于在MFCs中發(fā)電的各種可再生基板的可用性有可能在未來徹底改變電力生產(chǎn)。這些基質(zhì)包括尿液、廢水中的有機(jī)物、活植物分泌到土壤中的物質(zhì)(根系分泌物)、無機(jī)廢物，如硫化物，甚至氣體污染物。

二、植物MFCs

MFCs可以用來發(fā)電的另一種可再生和可持續(xù)的基質(zhì)是植物根系分泌物，即所謂的植物MFCs。當(dāng)植物生長時，它們會產(chǎn)生葡萄糖等碳水化合物，其中一些會滲出到根系中。根部附近的微生物將碳水化合物轉(zhuǎn)化為質(zhì)子、電子和二氧化碳。

在植物MFCs中，質(zhì)子通過膜傳遞，然后與氧氣重新結(jié)合，完成電子轉(zhuǎn)移的回路。通過將負(fù)載連接到電路中，所產(chǎn)生的電能就可以利用了。

工廠MFC可以徹底改變那些無法接入電網(wǎng)的孤立社區(qū)的電力生產(chǎn)。在城鎮(zhèn)里，街道可以用樹照明。

三、微生物脫鹽池

微生物燃料電池的另一個變種是微生物脫鹽電池。這些裝置利用細(xì)菌發(fā)電，例如從廢水中發(fā)電，同時使水脫鹽。將要脫鹽的水放入夾在MFCs的陽極室和陰極室之間的室中，使用帶負(fù)(陰離子)和正(陽離子)電荷的離子的膜。

當(dāng)陽極室中的細(xì)菌消耗廢水時，會釋放出質(zhì)子。這些質(zhì)子不能通過陰離子膜，所以負(fù)離子從鹽水進(jìn)入陽極室。在陰極，質(zhì)子被消耗掉，所以帶正電的離子從鹽水移到陰極室，使中間室的水淡化。陽極和陰極室釋放的離子有助于提高發(fā)電效率。

傳統(tǒng)的海水淡化目前是非常能源密集的，因此成本高昂。一種在生產(chǎn)(不消耗)電能的同時實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海水淡化的工藝將是革命性的。

ITMO大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新方法，該方法可以在保持太陽能電池效率的同時將透明材料用于太陽能電池。新技術(shù)基于摻雜方法，通過添加雜質(zhì)來改變材料的特性，但無需使用昂貴的專用設(shè)備。

這項研究的結(jié)果已發(fā)表在ACSAppliedMaterials&Interfaces(“離子門控小分子OPV：電荷收集器和傳輸層的界面摻雜”中)中。

太陽能最吸引人的挑戰(zhàn)之一是開發(fā)透明的薄膜光敏材料。這種薄膜可以應(yīng)用在普通窗戶的頂部以產(chǎn)生能量，而不會影響建筑物的外觀。但是開發(fā)將高效率和良好透光率結(jié)合在一起的太陽能電池是非常困難的。

常規(guī)的薄膜太陽能電池具有不透明的金屬背接觸，可以捕獲更多的光。透明太陽能電池使用透光背電極。在這種情況下，某些光子在通過時不可避免地會丟失，從而降低了設(shè)備的性能。此外，生產(chǎn)具有適當(dāng)性能的背電極可能會非常昂貴，

審核編輯：湯梓紅