Chế tạo pin nhiên liệu vi khuẩn hoạt động không cần điện
10/10/2016
107 Lượt xem
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Iowa đã chứng minh khái niệm pin nhiên liệu vi khuẩn 3D bằng giấy (MFC) có thể tận dụng hoạt động của mao mạch để định hướng cho các chất lỏng đi qua hệ thống MFC mà không cần nguồn điện bên ngoài.
Loại pin này có khả năng hoạt động trong thời gian 5 ngày. Nghiên cứu đã chứng minh sự xuất hiện của dòng điện là kết quả của việc tạo màng sinh học trên cực dương. Hệ thống sản sinh 1,3 μW điện và dòng điện 52,25 μA để đạt mật độ năng lượng khoảng 25 W/m3. Kết quả thí nghiệm cho thấy pin nhiên liệu vi khuẩn bằng giấy có thể sản xuất điện theo hướng thân thiện với môi trường mà không sử dụng điện ở bên ngoài. Nastaran Hashemi, PGS. kỹ thuật cơ khí, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: "Toàn bộ điện năng do thiết bị này sản sinh, có thể được sử dụng vì không cần đến điện để chất lỏng di chuyển qua thiết bị. Đây là yếu tố rất quan trọng để cải tiến thiết bị và mở rộng ứng dụng của thiết bị”.
Sự hình thành của màng sinh học trên vải cácbon trong thử nghiệm cung cấp thêm bằng chứng cho thấy, dòng điện đo được là kết quả của phản ứng sinh hóa. Đây là hoạt động quan trọng vì màng sinh học đóng vai trò thiết yếu trong việc sản sinh dòng điện của pin nhiên liệu vi khuẩn. Kích thước và độ dày của màng sinh học tăng lên sẽ làm cho cường độ dòng điện mạnh hơn. Pin nhiên liệu vi khuẩn chuyển hóa các chất giàu điện tử trong một quá trình phức tạp liên quan đến nhiều phản ứng xúc tác enzym. Sau đó, các điện tử tự do di chuyển đến cực dương bằng một trong nhiều phương thức vận chuyển điện tử.
Quá trình vận chuyển của điện tử diễn ra rất phức tạp và có bằng chứng cho thấy, hoạt động này trong mỗi loại vi khuẩn không giống nhau. Đối với vi khuẩn Shewanella Oneidensis MR-1, những phương thức di chuyển phổ biến nhất của các điện tử từ pin vi khuẩn đến cực dương là thông qua tiếp xúc trực tiếp để bài tiết các phân tử oxy hóa khử hòa tan và dây nano sinh học. Các phân tử oxy hóa khử hòa tan được cho là hỗ trợ 70% cơ chế chuyển giao điện tử từ pin vi khuẩn đến các điện cực. Hơn nữa, nghiên cứu còn chứng minh tiếp xúc trực tiếp giữa S. Oneidensis MR-1 và điện cực ít tác động đến việc sản sinh dòng điện do cơ chế chuyển giao điện tử thông qua trung gian.
Màng sinh học hỗ trợ khả năng bám dính của các phân tử oxy hóa khử vào điện cực, yếu tố quan trọng để pin nhiên liệu vi khuẩn có mật độ năng lượng cao. Loại pin này lần đầu tiên được chứng minh có thời gian sử dụng dài hơn và có thể hoạt động riêng rẽ, bước phát triển giúp mở rộng các ứng dụng của pin.
Các nhà khoa học hiện đang nghiên cứu những lựa chọn để kiểm soát hiệu quả hơn điện áp đầu ra và sản sinh liên tục dòng điện. Các thử nghiệm môi trường kiểm soát sẽ hỗ trợ điều chỉnh hiệu suất của hệ thống và mang lại kết quả ổn định hơn. Đối với khả năng sử dụng tối ưu và giảm chi phí, nhóm cũng mong muốn nghiên cứu một thiết bị không cần sử dụng Nafion và potassium ferricyanide trong ứng dụng của nó.