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土壤微生物燃料电池(SMFC):新设计有利于环境和农民 

土壤微生物燃料 电池 (SMFC)利用土壤中天然存在的细菌来发电。作为一种长期、分散的可再生能源,SMFC 可以永久部署,用于实时监测各种环境条件,也有助于提高精度 农业 和智慧城市。然而,尽管SMFC已经存在了一个多世纪,但由于功率输出的不一致,SMFC的实际应用几乎不存在。目前,还没有SMFC能够在高湿度水条件下持续发电。在最近的一项研究中,研究人员创建并比较了不同的设计版本,发现垂直电池设计提高了性能,并使 SMFC 更能适应土壤湿度的变化。   

微生物 燃料电池 (MFC)是通过将能量转化为化学键来发电的生物反应器 有机 通过微生物的生物催化作用将化合物转化为电能。通过底物的细菌氧化而在阳极室中释放的电子被转移到阴极,在那里它们与氧和氢离子结合。  

以乙酸盐为底物,在有氧条件下的生化反应为: 

阳极氧化半反应 

CH3COO - + 3H2氧→一氧化碳2 +碳酸氢根3 - + 8H+ +8e -   

阴极还原半反应 

2 + 8 H. + + 8 电子 -    →4小时 2 O 

在厌氧环境中,MFC可以利用生物废物作为底物来发电。 

MFC 有潜力作为可持续能源环境问题的解决方案, 全球变暖 和生物废物管理。它在常规化学电池和太阳能电池板达不到预期的领域(例如绿色基础设施、草原、湿地或地下)具有坚实的应用前景。在这些地区,太阳能电池板在夜间无法工作,通常会被泥土或植被覆盖,而化学成分 电池 渗入环境中。土壤微生物燃料 电池 (SMFC)作为农业、草原、森林和荒地等领域的可持续能源,为低能耗设备提供动力。  

土壤微生物燃料电池(SMFC)利用土壤中天然存在的细菌来发电。在最佳条件下,SMFC 可产生高达 200 μW 的功率和 731 mV 的电压。作为一种长期、分散的可再生能源,SMFC可以永久部署,用于实时监测各种环境条件并指导政策。这些也有助于智慧城市的发展 农场.  

然而,尽管 SMFC 已存在一个多世纪,但其在地面的实际应用仍然非常有限。目前,还没有SMFC能够在高湿度水条件下持续发电。功率输出的不一致是由于环境条件、土壤湿度、土壤类型、土壤微生物等的差异造成的,但土壤湿度的变化对功率输出的一致性影响最大。电池需要保持充分的水合和充氧才能保持稳定的功率输出,当埋在地下干燥的泥土中时,这可能是一个困难的问题。   

垂直电池设计提高了性能,并使 SMFC 更能适应土壤湿度的变化。  

最近的一项研究(涉及长达 2 年的迭代设计过程,结合九个月的 SMFC 部署数据)系统地测试了电池设计,以得出总体设计指南。研究团队创建并比较了四种不同的版本,包括阴极和阳极彼此平行的传统设计。燃料电池的垂直设计(版本 3:阳极水平方向和阴极垂直方向)被发现性能最佳。它在淹没条件到稍微干燥条件的湿度范围内工作良好。  

在垂直设计中,阳极(由碳制成,用于捕获细菌释放的电子)垂直于地面埋在潮湿的土壤中,而阴极(由惰性导电金属制成)垂直位于阳极顶部,水平放置在地面上氧气易于完成还原半反应的水平。  

当电池被水淹没时,设计的功率输出在整个持续时间内明显更高。从完全水下条件到有些干燥(体积含水量为 41%),它都运行良好,但仍然需要 41% 的体积含水量 (VWC) 才能保持活跃。  

本研究解决了有关 SMFC 设计方面的问题,以提高一致性和对湿度变化的适应能力。由于作者已向公众发布了所有设计、教程和模拟工具以供使用和构建,因此希望这应该能够在不久的将来转化为在精准农业等不同领域的更广泛应用。  

*** 

参考文献:  

  1. Vishwanathan AS,2021。微生物燃料电池:针对初学者的全面回顾。 3 生物技术。 2021 年 11 月; 5(248): 01。2021 年 XNUMX 月 XNUMX 日在线发布。DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 
  1. 十 B., 2024。土壤供电计算:实用土壤微生物燃料电池设计工程师指南。发布时间:12 年 2024 月 7 日。ACM 关于交互式、移动、可穿戴和普适技术的会议记录。第 4 卷第 196 期文章编号:1 页 40–XNUMX。数字编号: https://doi.org/10.1145/3631410 
  1. 西北大学。新闻-泥土驱动的燃料电池永远运行。发布于 12 年 2024 月 XNUMX 日。可在 https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

*** 

乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
科学记者| 《科学欧洲》杂志创始人编辑

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