Kohlenstoff

Aug 30, 2023

Chinesische Gesellschaft für Umweltwissenschaften

Bild: A, Design und Elektrodenmaterialien der vier in dieser Studie getesteten SMFCs. b, Kathodenbaugruppe. c, Versuchsaufbau.mehr sehen

Bildnachweis: Umweltwissenschaften und Ökotechnologie

Angesichts des steigenden Energiebedarfs und der Umweltbedenken sind erneuerbare Energielösungen von entscheidender Bedeutung, um bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen. Mikrobielle elektrochemische Technologien wie SMFCs sind kosteneffektiv und umweltfreundlich, was sie zu einer attraktiven Option für grüne Energiesysteme macht . SMFCs nutzen im Boden vorhandene endogene Mikroorganismen, um organisches Material in Elektrizität umzuwandeln, und bieten so eine nachhaltige Energiequelle und eine autarke In-situ-Bioremediationsstrategie für kontaminierte Böden.

Kathodenmaterialien spielen eine wichtige Rolle für die Leistung mikrobieller Brennstoffzellen. In dieser Studie verglichen die Forscher die Leistung von membranfreien Luftkathoden-SMFCs unter Verwendung von vier verschiedenen Kathoden: Kohlenstoffgewebe, Pt-dotiertes Kohlenstoffgewebe, Graphitfilz und eine innovative Fe-dotierte Kohlenstoff-Nanofaser-Elektrode. Die Forscher führten über längere Zeiträume hinweg elektrochemische Tests sowie mikrobielle taxonomische Analysen durch, um die Wirkung von Elektrodenmaterialien auf die Biofilmbildung und die elektrochemische Leistung zu bewerten.

In einer im April 2023 in Band 16 der Zeitschrift Environmental Science and Ecotechnology veröffentlichten Studie zeigten Forscher der University of Bath, dass Fe-dotierte Kohlenstoffnanofasern und Pt-dotierte Kohlenstoffgewebekathoden stabile Leistungen mit Spitzenleistungsdichten von 25,5 und 30,4 mW erbrachten m−2 bzw. Graphitfilzkathoden zeigten mit einer Spitzenleistungsdichte von 87,3 mW m−2 die beste elektrochemische Leistung. Allerdings wiesen sie auch die größte Instabilität auf.

Eine Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften ergab Unterschiede zwischen anodischen und kathodischen Gemeinschaften. Anoden waren überwiegend mit Geobacter- und Pseudomonas-Arten angereichert, während kathodische Gemeinschaften von wasserstoffproduzierenden und hydrotrophen Bakterien dominiert wurden. Dies legt nahe, dass der Wasserstoffkreislauf ein möglicher Elektronentransfermechanismus sein könnte. Darüber hinaus deutete das Vorhandensein nitratreduzierender Bakterien in Kombination mit den Ergebnissen des zyklischen Voltammogramms darauf hin, dass an Graphitfilzkathoden eine mikrobielle Nitratreduktion stattfand.

Die Verwendung innovativer Fe-dotierter Kohlenstoff-Nanofaser-Kathoden lieferte eine elektrochemische Leistung, die mit Pt-dotiertem Kohlenstoffgewebe vergleichbar war, und bot eine kostengünstige Alternative. Graphitfilz übertraf jedoch alle anderen getesteten Elektroden, zeigte jedoch eine geringere Reproduzierbarkeit und höhere Massentransportverluste. Die mikrobielle taxonomische Profilierung der Kathodenbiofilme ergab das Vorhandensein von Taxa, die mit der Sauerstoffreduktion oder der Beteiligung an der Nutzung alternativer Elektronenakzeptoren wie Nitrat zusammenhängen.

Die Ergebnisse dieser Studie können als Leitfaden für zukünftige Forschungen zu kostengünstigen, leistungsstarken SMFCs für praktische Anwendungen in der Energiegewinnung und Bioremediation dienen. Durch das Verständnis, wie Elektrodenmaterialien mikrobielle Gemeinschaften und die elektrochemische Leistung beeinflussen, können Forscher die Umsetzung von SMFCs in reale Implementierungen beschleunigen.

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Verweise

Autoren

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

Zugehörigkeiten

ein Department of Chemical Engineering und Centre for Biosensors, Bioelectronics & Biodevices (C3Bio), University of Bath, Claverton Down, BA2 7AY, UK

b Abteilung für Mikrobielle Wissenschaften, University of Surrey, Guildford, GU2 7XH, Großbritannien

c LEITAT Technological Center, C/ de la Innovación, 2, 08225, Terrassa, Barcelona, ​​​​Spanien

Umweltwissenschaften und Ökotechnologie

10.1016/j.ese.2023.100276

Unzutreffend

Einfluss kohlenstoffbasierter Kathoden auf die Biofilmzusammensetzung und die elektrochemische Leistung in bodenmikrobiellen Brennstoffzellen

8. April 2023

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel beschriebene Arbeit beeinflusst hätten.

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