Carbonio

Aug 30, 2023

Società cinese per le scienze ambientali

immagine: A, Progettazione e materiali degli elettrodi dei quattro SMFC testati in questo studio. b, gruppo catodico. c, allestimento sperimentale.vedere di più

Credito: Scienze Ambientali ed Ecotecnologie

Nel contesto della crescente domanda di energia e delle preoccupazioni ambientali, le soluzioni di energia rinnovabile sono cruciali per raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette entro il 2050. Le tecnologie elettrochimiche microbiche, come le SMFC, sono convenienti e rispettose dell’ambiente, rendendole un’opzione interessante per i sistemi energetici verdi . Le SMFC utilizzano microrganismi endogeni presenti nel suolo per convertire la materia organica in elettricità, offrendo una fonte di energia sostenibile e una strategia di biorisanamento in situ autoalimentata per i terreni contaminati.

I materiali catodici svolgono un ruolo significativo nelle prestazioni delle celle a combustibile microbiche. In questo studio, i ricercatori hanno confrontato le prestazioni di SMFC con catodo ad aria senza membrana utilizzando quattro diversi catodi: tessuto di carbonio, tessuto di carbonio drogato con Pt, feltro di grafite e un innovativo elettrodo di nanofibre di carbonio drogate con Fe. I ricercatori hanno condotto test elettrochimici per periodi prolungati, insieme ad analisi tassonomiche microbiche, per valutare l'effetto dei materiali degli elettrodi sulla formazione di biofilm e sulle prestazioni elettrochimiche.

In uno studio pubblicato nel volume 16 della rivista Environmental Science and Ecotechnology nell'aprile 2023, i ricercatori dell'Università di Bath hanno rivelato che le nanofibre di carbonio drogate con Fe e i catodi in tessuto di carbonio drogati con Pt hanno prodotto prestazioni stabili, con densità di potenza di picco di 25,5 e 30,4 mW m−2, rispettivamente. I catodi in feltro di grafite hanno dimostrato le migliori prestazioni elettrochimiche, con una densità di potenza di picco di 87,3 mW m−2. Tuttavia, hanno mostrato anche la maggiore instabilità.

Un esame delle comunità microbiche ha rilevato differenze tra comunità anodiche e catodiche. Gli anodi erano prevalentemente arricchiti con specie Geobacter e Pseudomonas, mentre le comunità catodiche erano dominate da batteri idrogenotrofi e produttori di idrogeno. Ciò suggerisce che il ciclo dell’idrogeno potrebbe essere un possibile meccanismo di trasferimento di elettroni. Inoltre, la presenza di batteri che riducono i nitrati in combinazione con i risultati del voltammogramma ciclico ha indicato che la riduzione microbica dei nitrati si è verificata sui catodi di feltro di grafite.

L'uso di innovativi catodi in nanofibra di carbonio drogata con Fe ha fornito prestazioni elettrochimiche paragonabili al tessuto di carbonio drogato con Pt, offrendo un'alternativa a basso costo. Tuttavia, il feltro di grafite ha sovraperformato tutti gli altri elettrodi testati, ma ha mostrato una riproducibilità inferiore e perdite di trasporto di massa più elevate. La profilazione tassonomica microbica dei biofilm catodici ha rivelato la presenza di taxa correlati alla riduzione dell'ossigeno o al coinvolgimento nell'utilizzo di accettori di elettroni alternativi, come il nitrato.

I risultati di questo studio possono guidare la ricerca futura su SMFC a basso costo e ad alte prestazioni per applicazioni pratiche nella raccolta di energia e nel biorisanamento. Comprendendo come i materiali degli elettrodi influenzano le comunità microbiche e le prestazioni elettrochimiche, i ricercatori possono accelerare la traduzione delle SMFC in implementazioni nel mondo reale.

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Riferimenti

Autori

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

Affiliazioni

a Dipartimento di ingegneria chimica e Centro per biosensori, bioelettronica e biodispositivi (C3Bio), Università di Bath, Claverton Down, BA2 7AY, Regno Unito

b Dipartimento di Scienze Microbiche, Università del Surrey, Guildford, GU2 7XH, Regno Unito

c Centro Tecnologico LEITAT, C/ de la Innovación, 2, 08225, Terrassa, Barcellona, ​​​​Spagna

Scienze ambientali ed ecotecnologie

10.1016/j.ese.2023.100276

Non applicabile

Influenza dei catodi a base di carbonio sulla composizione del biofilm e sulle prestazioni elettrochimiche nelle celle a combustibile microbiche del suolo