一种仅使用阳光和废水产生氢气的新型装置可以提供可持续的能源，同时提高废水处理的效率。
由加州大学圣克鲁兹分校化学副教授Yat Li领导的一个研究小组开发了太阳能微生物装置，并在美国化学学会期刊ACS Nano发表的一篇论文中报告了他们的研究结果。该混合装置结合了微生物燃料电池(MFC)和一种称为光电化学电池(PEC)的太阳能电池。在MFC组件中，细菌降解废水中的有机物质，在此过程中发电。生物发电被输送到PEC部件，以协助太阳能分解产生氢气和氧气的水(电解)。
可以单独使用PEC或MFC装置来产生氢气。然而，两者都需要小的附加电压(“外部偏压”)来克服质子还原成氢气的热力学能垒。结合附加电功率元件的需要显着增加了这些类型的能量转换装置的成本和复杂性，尤其是在大规模时。相比之下，Li的混合太阳能微生物装置是自驱动和自我维持的，因为来自有机物质(由MFC收获)和太阳光(由PEC捕获)的组合能量足以驱动水的电解。
实际上，MFC组件可以被视为自持“生物电池”，其为PEC提供额外的电压和能量以产生氢气。“唯一的能源是废水和阳光，”李说。“这种自我偏见，可持续的微生物制氢装置的成功示范可以提供一种新的解决方案，可以同时满足废水处理的需求和对清洁能源日益增长的需求。”
微生物燃料电池依赖于被称为产电细菌的不寻常细菌，这些细菌能够通过将代谢产生的电子穿过细胞膜转移到外部电极来发电。李的小组与劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员合作，他们一直在研究致电细菌并致力于提高MFC的性能。太阳能 - 微生物(PEC-MFC)装置的初始“概念验证”测试使用在实验室中在人工生长培养基上生长的充分研究的产生细菌的菌株。随后的测试使用来自利弗莫尔水回收厂的未经处理的城市废水。废水中含有丰富的有机营养素和以这些营养素为食的多种微生物混合物，包括天然存在的电生菌菌株。
当与废水进料，并在太阳模拟器照射时，PEC-MFC器件显示连续生产氢气为0.05微米的平均速率3 /天，根据LLNL研究者和共同创作方钱。与此同时，浑浊的黑色废水变得更加清晰。可溶性化学需氧量 - 一种广泛用作水质测试的水中有机化合物含量的指标 - 在48小时内下降了67%。
研究人员还指出，随着细菌消耗废水中的有机物质，氢气的产生会随着时间的推移而下降。在每个进料循环中补充废水导致完全恢复电流产生和氢气产生。
钱说，研究人员对他们的发明的商业潜力持乐观态度。目前，他们正计划扩大小型实验室设备，以制造更大的40升原型，连续供应市政废水。如果来自40升原型的结果很有希望，他们将在废水处理厂现场测试该设备。
“MFC将与现有的工厂管道整合，用于连续的废水供应，PEC将在户外设置，以接收自然太阳能照明，”钱说。
“幸运的是，金州充满了充足的阳光，可以用于现场测试，”李补充道。
Qian和Hanyu Wang是加州大学圣克鲁兹分校Li实验室的研究生，是ACS Nano论文的共同第一作者。其他共同作者包括UCSC研究生王公明; LLNL研究员Yongqin Jiao; 和弗吉尼亚理工学院和州立大学的Zhen He。该研究得到了美国国家科学基金会和能源部的支持。
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