QUẢNG CÁO

Pin nhiên liệu vi sinh vật đất (SMFC): Thiết kế mới có thể mang lại lợi ích cho môi trường và nông dân 

Pin nhiên liệu vi sinh vật đất (SMFC) sử dụng vi khuẩn tự nhiên trong đất để tạo ra điện. Là nguồn năng lượng tái tạo phi tập trung, lâu dài, SMFC có thể được triển khai vĩnh viễn để theo dõi thời gian thực các điều kiện môi trường khác nhau và cũng có thể góp phần vào sự phát triển của nông nghiệp chính xác và thành phố thông minh. Tuy nhiên, dù đã tồn tại hơn một thế kỷ nhưng ứng dụng thực tế của SMFC gần như không tồn tại do sản lượng điện đầu ra không nhất quán. Hiện tại, chưa có SMFC nào có thể tạo ra điện liên tục ngoài điều kiện nước có độ ẩm cao. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà nghiên cứu đã tạo ra và so sánh các phiên bản thiết kế khác nhau và nhận thấy rằng thiết kế tế bào thẳng đứng cải thiện hiệu suất và làm cho SMFC có khả năng phục hồi tốt hơn trước những thay đổi về độ ẩm của đất.   

Vi sinh vật pin nhiên liệu (MFC) là các lò phản ứng sinh học sản xuất điện bằng cách chuyển đổi năng lượng trong các liên kết hóa học của các hợp chất hữu cơ thành năng lượng điện thông qua quá trình xúc tác sinh học của vi khuẩn. Các electron được giải phóng trong ngăn cực dương do quá trình oxy hóa chất nền của vi khuẩn được chuyển sang cực âm nơi chúng kết hợp với các ion oxy và hydro.  

Các phản ứng sinh hóa trong điều kiện hiếu khí, ví dụ, đối với axetat làm cơ chất là: 

nửa phản ứng oxi hóa ở anot 

CH3COO- + 3H2O → CO2 +HCO3- + 8H+ + 8e 

bán phản ứng khử ở catốt 

2 O 2 + 8 giờ + + Thứ 8 -   → 4H 2 O 

Trong môi trường kỵ khí, MFC có thể sử dụng chất thải sinh học làm chất nền để sản xuất điện. 

MFC có tiềm năng đóng vai trò là giải pháp cho các vấn đề môi trường về năng lượng bền vững, sự nóng lên toàn cầu và quản lý chất thải sinh học. Nó có cơ sở vững chắc để ứng dụng ở những khu vực mà pin hóa học và tấm pin mặt trời thông thường không đạt được kỳ vọng như cơ sở hạ tầng xanh, đồng cỏ, vùng đất ngập nước hoặc dưới lòng đất. Ở những khu vực này, các tấm pin mặt trời không hoạt động vào ban đêm và thường bị bụi bẩn hoặc thảm thực vật bao phủ trong khi các thành phần của pin hóa học thấm vào môi trường. Pin nhiên liệu vi sinh vật đất (SMFC) là nguồn năng lượng bền vững ở các khu vực nông nghiệp, đồng cỏ, rừng và đất hoang để cung cấp năng lượng cho các thiết bị năng lượng thấp.  

Pin nhiên liệu vi sinh vật đất (SMFC) sử dụng vi khuẩn tự nhiên trong đất để tạo ra điện. Trong điều kiện tối ưu, SMFC có thể tạo ra công suất lên tới 200 μW với điện áp 731 mV. Là nguồn năng lượng tái tạo phi tập trung, lâu dài, SMFC có thể được triển khai vĩnh viễn để giám sát thời gian thực các điều kiện môi trường khác nhau và hướng dẫn chính sách. Những điều này cũng có thể góp phần vào sự phát triển của các thành phố và trang trại thông minh.  

Tuy nhiên, mặc dù đã tồn tại hơn một thế kỷ nhưng ứng dụng thực tế của SMFC ở mặt đất vẫn còn rất hạn chế. Hiện tại, chưa có SMFC nào có thể tạo ra điện liên tục ngoài điều kiện nước có độ ẩm cao. Sự không nhất quán về sản lượng điện được cho là do sự khác biệt về điều kiện môi trường, độ ẩm của đất, loại đất, vi khuẩn sinh sống trong đất, v.v. nhưng những thay đổi về độ ẩm của đất có ảnh hưởng tối đa đến tính nhất quán của sản lượng điện. Các tế bào cần được giữ nước và oxy hóa đầy đủ để tạo ra năng lượng ổn định, đây có thể là một vấn đề khó khăn khi được chôn dưới đất khô.   

Thiết kế ô thẳng đứng cải thiện hiệu suất và làm cho SMFC có khả năng phục hồi tốt hơn trước những thay đổi về độ ẩm của đất.  

Một nghiên cứu gần đây (bao gồm quy trình thiết kế lặp lại kéo dài 2 năm với dữ liệu triển khai SMFC tổng hợp trong 3 tháng) đã thử nghiệm một cách có hệ thống các thiết kế tế bào để đạt được các nguyên tắc thiết kế chung. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra và so sánh XNUMX phiên bản khác nhau, trong đó có thiết kế truyền thống trong đó cả cực âm và cực dương song song với nhau. Thiết kế thẳng đứng (phiên bản XNUMX: hướng cực dương nằm ngang và hướng cực âm vuông góc) của pin nhiên liệu được cho là có hiệu suất tốt nhất. Nó hoạt động tốt trong phạm vi độ ẩm từ điều kiện ngập nước đến điều kiện hơi khô.  

Trong thiết kế thẳng đứng, cực dương (làm bằng carbon để thu giữ các electron do vi khuẩn giải phóng) được chôn trong đất ẩm vuông góc với bề mặt đất trong khi cực âm (làm bằng kim loại trơ, dẫn điện) nằm thẳng đứng trên cực dương theo chiều ngang trên mặt đất. mức có sẵn oxy để hoàn thành nửa phản ứng khử.  

Công suất đầu ra cho thiết kế cao hơn đáng kể trong suốt thời gian pin bị ngập trong nước. Nó hoạt động tốt từ điều kiện hoàn toàn dưới nước đến hơi khô (41% nước theo thể tích), tuy nhiên nó vẫn có yêu cầu hàm lượng nước thể tích (VWC) cao 41% để duy trì hoạt động.  

Nghiên cứu này giải quyết câu hỏi liên quan đến khía cạnh thiết kế của SMFC theo hướng cải thiện tính nhất quán và khả năng phục hồi trước sự thay đổi độ ẩm. Vì các tác giả đã phát hành tất cả các thiết kế, hướng dẫn và công cụ mô phỏng cho công chúng sử dụng và xây dựng nên hy vọng điều này sẽ chuyển sang các ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực khác nhau như canh tác chính xác trong tương lai gần.  

*** 

Tài liệu tham khảo:  

  1. Vishwanathan AS, 2021. Pin nhiên liệu vi sinh: đánh giá toàn diện cho người mới bắt đầu. 3 Công nghệ sinh học. tháng 2021 năm 11; 5(248): 01. Đăng trực tuyến ngày 2021 tháng XNUMX năm XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 
  1. Mười B., et al 2024. Máy tính chạy bằng đất: Hướng dẫn kỹ sư về thiết kế tế bào nhiên liệu vi sinh vật trong đất thực tế. Được xuất bản: ngày 12 tháng 2024 năm 7. Kỷ yếu của ACM về Công nghệ tương tác, Di động, Thiết bị đeo và Phổ biến. Tập 4 Số 196Điều số: 1pp 40–XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 
  1. Trường Đại học Northwestern. Tin tức-Pin nhiên liệu chạy bằng bụi bẩn chạy mãi mãi. Đăng vào ngày 12 tháng 2024 năm XNUMX. Có sẵn tại https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

*** 

Umesh Prasad
Umesh Prasad
Nhà báo khoa học | Biên tập viên sáng lập tạp chí Khoa học Châu Âu

Theo dõi bản tin của chúng tôi

Để được cập nhật tất cả các tin tức mới nhất, ưu đãi và thông báo đặc biệt.

Hầu hết các bài viết được ưa thích

Khám phá các chất dẫn đến hóa học cho thuốc chống sốt rét thế hệ tiếp theo

Một nghiên cứu mới đã sử dụng sàng lọc bằng robot để chọn lọc ...

Khai thác sinh học không gian: Tiến tới định cư của con người ngoài trái đất

Các phát hiện của thử nghiệm BioRock chỉ ra rằng vi khuẩn hỗ trợ khai thác ...

Cuộc đua mặt trăng: Chandrayaan 3 của Ấn Độ đạt được khả năng hạ cánh mềm  

Tàu đổ bộ mặt trăng Vikram của Ấn Độ (với tàu thăm dò Pragyan) của Chandrayaan-3...
- Quảng cáo -
94,863Người hâm mộNhư
47,632Người theo dõiTheo
1,772Người theo dõiTheo
30Thuê baoTheo dõi