14. Mai 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Kathodenmaterialien spielen eine bedeutende Rolle für die Leistung mikrobieller Brennstoffzellen. In dieser Studie verglichen die Forscher die Leistung von membranfreien Luft-Kathoden-Boden-Mikroben-Brennstoffzellen (SMFCs) mit vier verschiedenen Kathoden: Kohlenstoffgewebe, Pt-dotiertes Kohlenstoffgewebe, Graphitfilz und eine innovative Fe-dotierte Kohlenstoff-Nanofaser-Elektrode. Die Forscher führten über längere Zeiträume hinweg elektrochemische Tests sowie mikrobielle taxonomische Analysen durch, um die Wirkung von Elektrodenmaterialien auf die Biofilmbildung und die elektrochemische Leistung zu bewerten. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Umweltwissenschaften und Ökotechnologie („Einfluss kohlenstoffbasierter Kathoden auf die Biofilmzusammensetzung und die elektrochemische Leistung in bodenmikrobiellen Brennstoffzellen“) zeigten Forscher der University of Bath, dass Fe-dotierte Kohlenstoffnanofasern und Pt-dotierte Kohlenstoffgewebekathoden stabile Leistungen mit Spitzenleistungsdichten von 25.5 und 30.4 mW m erbrachten-2, bzw. Graphitfilzkathoden zeigten mit einer Spitzenleistungsdichte von 87.3 mW m die beste elektrochemische Leistung-2. Allerdings wiesen sie auch die größte Instabilität auf.
a, Design und Elektrodenmaterialien der vier in dieser Studie getesteten SMFCs. b, Kathodenbaugruppe. c, Versuchsaufbau. Eine Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften ergab Unterschiede zwischen anodischen und kathodischen Gemeinschaften. Anoden wurden überwiegend mit angereichert Geobakterien und Pseudomonas Arten, während kathodische Gemeinschaften von wasserstoffproduzierenden und hydrotrophen Bakterien dominiert wurden. Dies legt nahe, dass der Wasserstoffkreislauf ein möglicher Elektronentransfermechanismus sein könnte. Darüber hinaus deutete das Vorhandensein nitratreduzierender Bakterien in Kombination mit den Ergebnissen des zyklischen Voltammogramms darauf hin, dass an Graphitfilzkathoden eine mikrobielle Nitratreduktion stattfand. Die Verwendung innovativer Fe-dotierter Kohlenstoff-Nanofaser-Kathoden lieferte eine elektrochemische Leistung, die mit Pt-dotiertem Kohlenstoffgewebe vergleichbar war, und bot eine kostengünstige Alternative. Graphitfilz übertraf jedoch alle anderen getesteten Elektroden, zeigte jedoch eine geringere Reproduzierbarkeit und höhere Massentransportverluste. Die mikrobielle taxonomische Profilierung der Kathodenbiofilme ergab das Vorhandensein von Taxa, die mit der Sauerstoffreduktion oder der Beteiligung an der Nutzung alternativer Elektronenakzeptoren wie Nitrat zusammenhängen. Die Ergebnisse dieser Studie können als Leitfaden für zukünftige Forschungen zu kostengünstigen, leistungsstarken SMFCs für praktische Anwendungen in der Energiegewinnung und Bioremediation dienen. Durch das Verständnis, wie Elektrodenmaterialien mikrobielle Gemeinschaften und die elektrochemische Leistung beeinflussen, können Forscher die Umsetzung von SMFCs in reale Implementierungen beschleunigen.
a, Design und Elektrodenmaterialien der vier in dieser Studie getesteten SMFCs. b, Kathodenbaugruppe. c, Versuchsaufbau. Eine Untersuchung mikrobieller Gemeinschaften ergab Unterschiede zwischen anodischen und kathodischen Gemeinschaften. Anoden wurden überwiegend mit angereichert Geobakterien und Pseudomonas Arten, während kathodische Gemeinschaften von wasserstoffproduzierenden und hydrotrophen Bakterien dominiert wurden. Dies legt nahe, dass der Wasserstoffkreislauf ein möglicher Elektronentransfermechanismus sein könnte. Darüber hinaus deutete das Vorhandensein nitratreduzierender Bakterien in Kombination mit den Ergebnissen des zyklischen Voltammogramms darauf hin, dass an Graphitfilzkathoden eine mikrobielle Nitratreduktion stattfand. Die Verwendung innovativer Fe-dotierter Kohlenstoff-Nanofaser-Kathoden lieferte eine elektrochemische Leistung, die mit Pt-dotiertem Kohlenstoffgewebe vergleichbar war, und bot eine kostengünstige Alternative. Graphitfilz übertraf jedoch alle anderen getesteten Elektroden, zeigte jedoch eine geringere Reproduzierbarkeit und höhere Massentransportverluste. Die mikrobielle taxonomische Profilierung der Kathodenbiofilme ergab das Vorhandensein von Taxa, die mit der Sauerstoffreduktion oder der Beteiligung an der Nutzung alternativer Elektronenakzeptoren wie Nitrat zusammenhängen. Die Ergebnisse dieser Studie können als Leitfaden für zukünftige Forschungen zu kostengünstigen, leistungsstarken SMFCs für praktische Anwendungen in der Energiegewinnung und Bioremediation dienen. Durch das Verständnis, wie Elektrodenmaterialien mikrobielle Gemeinschaften und die elektrochemische Leistung beeinflussen, können Forscher die Umsetzung von SMFCs in reale Implementierungen beschleunigen.
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62986.php
