美國愛荷華州立大學(Iowa State University)的研究人員開發出3D的紙質微生物燃料電池(MFC),可在整個系統中利用毛細管作用引導液體,而無需使用外部電力。

這種紙質的MFC原型可連續運作五天,可產生約1.3μW的電力以及52.25μA的電流,實現大約25W/m3的電源密度。這些研究結果顯示紙質微生物燃料電池可在無需使用任何外部電力的環保模式下發電。「由此裝置產生的所有電源可完全使用,因為它不需要任何電力就能讓液體在整個裝置中運行。這一點對於這些MFC裝置的進展以及擴展其應用相當重要,」該研究作者暨愛荷華州立大學機工程助理教授Nastaran Hashemi表示。

該MFC裝置可讓Shewanella Oneidensis MR-1菌株(圖中黃色)與鐵氰化鉀(白色)流進腔室。在兩腔室之間放置質子交換薄膜,可隔離兩種不同的液體以及讓陽極電解液中由生物催化劑分解釋放出的正電離子從陽極流到陰極。

在測試過程中,在碳布上形成的生物薄膜進一步證實所測得的電流就是發生生物化學反應的結果。生物薄膜在微生物燃料電池產生電流時扮演重要角色,當生物薄膜的尺寸與厚度增加,就能提高所產生的電流。

在涉及許多酶催化反應的複雜過程中,細菌電池可促進含有豐富電子的物質進行新陳代謝。接著,電子可自在地經由其中一種電子傳輸模式流至陽極。該原型顯示,個別細菌和電極之間直接接觸對於產生電流的影響並不大,因而可支援中介電子傳遞機制。生物薄膜有助於在電極的分子吸收,使其在高功率密度微生物燃料電池上佔據重要地位。

該裝置首次證明能夠持續較長的使用時間,以及有能力個別操作。這一開發成果有助於增加微生物燃料電池可加以應用的情況。

愛荷華州立大學的研究團隊目前正探索其他選擇,以便更有效控制電壓輸出,以及打造恆定的電流與降低昂貴的化學品成本。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Paper-Based Microbial Fuel Cell Produces 1.3μW,by Nick Flaherty)