据亚利桑那州立大学生物设计研究所的研究人员CésarTorres和SudeepPopat称，某些细菌擅长将废物转化为有用的能量。这些微生物目前通过称为微生物燃料电池或MFC的创新技术应用于该任务。

正如Torres解释的那样，“微生物燃料电池的巨大优势是将有机废物直接转化为电能。”未来，MFC可能与城市废物流或农业和动物废物来源有关，为废物提供可持续的系统处理和能源生产。

然而，为了扩大技术，需要提高效率。“我特别关注的是从根本上理解阳极呼吸细菌如何将电子从细胞转移到电极上，”Popat说，“以及设计既经济又高效的新系统。”

该小组能够证明MFC效率的显着损失是由于燃料电池阴极发生的反应。通过改变阴极中使用的材料以及调节pH水平，他们能够改善阴极性能。

该小组的研究成果最近出现在ChemSusChem期刊上，专门讨论MFC技术。

Torres和Popat在生物设计公司的Swette环境生物技术中心工作，由ASURegents教授BruceRittmann执导，他是当前研究的合着者。环境生物技术是一门快速发展的学科，其中包括微生物学，生物信息学，化学，基因组学，材料科学和工程学等不同领域联合起来利用生物实体-包括细菌-来帮助社会。

环境生物技术的两个主要领域是生物修复，或环境污染物的清理，以及清洁能源的生产。正如作者所指出的，MFC可以执行双重任务，从废物流中瞄准电子并将其转换为有用的能量。

MFC是一种独特的电池-部分电化学电池，部分生物反应器。通常，它包含两个电极，由离子交换膜隔开。在阳极侧，细菌生长和增殖，形成称为生物膜的致密细胞聚集体，其粘附于MFC的阳极。在它们的微生物代谢过程中，细菌充当催化剂，用于将有机基质转化为CO2，质子和电子。

在自然条件下，许多细菌使用氧气作为最终电子受体来产生水，但是在MFC的无氧环境中，将电子发送到不溶性电子受体(即MFC阳极)的特化细菌占主导地位。

阳极呼吸细菌能够氧化有机污染物，例如在废物流中发现的有机污染物，并将电子转移到阳极。然后，清除的电子流过电路，终止于MFC的阴极，从而发电。离子通过燃料电池的离子膜传输，以保持电中性，尽管通常排除膜。

为了改进技术并解决MFC效率的损失，该小组研究了MFC阴极处的氧还原反应。虽然之前有人推测阴极的效率损失是由于质子的可用性低，但新研究显示氢氧根离子(OH-)远离阴极的催化剂层并大量转移到周围的液体中控制器件中的阴极电位损耗。

“我们发现阴极限制了我们在这些MFC中可以产生的功率密度，”Popat说。“这非常令人惊讶，因为在化学燃料电池中，相同的催化剂可以提供更高的功率密度。”

这种差异的关键在于，与化学燃料电池不同，MFC必须在阳极室中的中性pH下操作，以确保催化反应的微生物的最佳生长和活性。在阴极处，由于其运输的限制速率，OH-离子引起pH的局部增加。此外，阴极pH值增加的每个单位都会导致59毫伏的能量损失-作者发现局部阴极pH值很容易达到>12，这意味着大量损失。

为了解决这种情况，该小组对阴极的运输特性进行了详细的检查。包含在阴极中的离子交换粘合剂通常有助于将离子传输到周围的电解质中。通常情况下，这种粘合剂是由一种叫做Nafion的材料制成的，作者解释这种材料适用于输送带正电荷的阳离子，如质子，但负电荷阴离子的导体很差，如在MFC阴极上积聚的氢氧根离子，或阴离子缓冲物质，如磷酸盐和碳酸氢盐，有助于转运OH-离子。

在该研究中，将具有高阴离子交换能力的称为AS-4的实验聚合物代替Nafion作为阴极粘合剂。该改进确保了氢氧根离子的有效输送并改善了阴极的性能。该研究表明，通过添加与空气混合的CO2作为阴极催化剂的缓冲剂，可以通过直接调节pH来进一步提高OH-转运。

该研究首次全面分析了MFC中的阴极限制，并将通过改进材料和操作条件进一步开发这些系统。“我们研究的主要重点不是提供即时答案，而是进行机械研究以确定阴极如何运作并确定低效率的来源，”托雷斯解释说。“现在我们可以开始研究解决方案了。”