Ein neuartiges Gerät, bei dem nur Sonnenlicht und Abwasser zur Erzeugung von Wasserstoffgas verwendet werden, könnte eine nachhaltige Energiequelle darstellen.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Yat Li, außerordentlicher Professor für Chemie an der University of California in Santa Cruz, entwickelte das solarmikrobielle Gerät und berichtete über seine Ergebnisse in einem Artikel, der in der Zeitschrift ACS Nano der American Chemical Society veröffentlicht wurde. Das Hybridgerät kombiniert eine mikrobielle Brennstoffzelle (MFC) und eine Art Solarzelle, die als photoelektrochemische Zelle (PEC) bezeichnet wird. In der MFC-Komponente bauen Bakterien organische Stoffe im Abwasser ab und erzeugen dabei Strom. Der biologisch erzeugte Strom wird an die PEC-Komponente geliefert, um die solarbetriebene Wasserspaltung (Elektrolyse) zu unterstützen, die Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.
Erster Sonnenaufgang des Herbstes von unserer Freundin Mary C. Cox in North Carolina.
Es kann entweder eine PEC- oder eine MFC-Vorrichtung alleine zur Erzeugung von Wasserstoffgas verwendet werden. Beide benötigen jedoch eine kleine zusätzliche Spannung (eine "externe Vorspannung"), um die thermodynamische Energiebarriere für die Protonenreduktion in Wasserstoffgas zu überwinden. Die Notwendigkeit, ein zusätzliches elektrisches Leistungselement einzubauen, trägt erheblich zu den Kosten und der Kompliziertheit dieser Arten von Energieumwandlungsvorrichtungen bei, insbesondere in großem Maßstab. Im Vergleich dazu ist Lis hybrides solarmikrobielles Gerät autark und autark, da die kombinierte Energie aus der organischen Substanz (die vom MFC gewonnen wird) und dem Sonnenlicht (die vom PEC eingefangen wird) ausreicht, um die Elektrolyse von Wasser voranzutreiben.
Tatsächlich kann die MFC-Komponente als autarke „Biobatterie“ betrachtet werden, die dem PEC zusätzliche Spannung und Energie für die Wasserstoffgaserzeugung liefert. "Die einzigen Energiequellen sind Abwasser und Sonnenlicht", sagte Li. "Die erfolgreiche Demonstration eines solchen selbstvoreingenommenen, nachhaltigen mikrobiellen Geräts zur Wasserstofferzeugung könnte eine neue Lösung darstellen, die gleichzeitig den Bedarf an Abwasserbehandlung und den steigenden Bedarf an sauberer Energie befriedigt."
Mikrobielle Brennstoffzellen sind auf ungewöhnliche Bakterien angewiesen, sogenannte elektrogene Bakterien, die in der Lage sind, Elektrizität zu erzeugen, indem sie metabolisch erzeugte Elektronen über ihre Zellmembranen zu einer externen Elektrode übertragen. Die Gruppe von Li arbeitete mit Forschern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zusammen, die sich mit elektrogenen Bakterien befassten und an der Verbesserung der MFC-Leistung arbeiteten. Erste „Proof-of-Concept“ -Tests des solarmikrobiellen Geräts (PEC-MFC) verwendeten einen gut untersuchten Stamm von elektrogenen Bakterien, die im Labor auf künstlichem Wachstumsmedium gezüchtet wurden. Nachfolgende Tests verwendeten unbehandeltes kommunales Abwasser aus der Livermore Water Reclamation Plant. Das Abwasser enthielt sowohl reichhaltige organische Nährstoffe als auch eine vielfältige Mischung von Mikroben, die sich von diesen Nährstoffen ernähren, einschließlich natürlich vorkommender Stämme von elektrogenen Bakterien.
Neuartiges solarmikrobielles Gerät zur Erzeugung von Wasserstoffbrennstoff. Foto von Song Yang
Das PEC-MFC-Gerät wurde mit Abwasser gespeist und in einem Sonnensimulator beleuchtet. Laut LLNL-Forscher und Mitverfasser Fang Qian produzierte es kontinuierlich Wasserstoff mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit von 0,05 m3 / Tag. Gleichzeitig wurde das trübe schwarze Abwasser klarer. Der Bedarf an löslichem chemischem Sauerstoff - ein Maß für die Menge organischer Verbindungen in Wasser, das häufig als Wasserqualitätstest verwendet wird - ging innerhalb von 48 Stunden um 67 Prozent zurück.
Die Forscher stellten auch fest, dass die Wasserstofferzeugung mit der Zeit abnahm, da die Bakterien die organische Substanz im Abwasser verbrauchten. Die Auffüllung des Abwassers in jedem Einspeisungszyklus führte zu einer vollständigen Wiederherstellung der Stromerzeugung und der Wasserstoffgasproduktion.
Qian sagte, die Forscher seien optimistisch hinsichtlich des kommerziellen Potenzials für ihre Erfindung. Derzeit planen sie, das kleine Laborgerät zu vergrößern, um einen größeren 40-Liter-Prototyp herzustellen, der kontinuierlich mit kommunalem Abwasser gespeist wird. Wenn die Ergebnisse des 40-Liter-Prototyps vielversprechend sind, werden sie das Gerät vor Ort in der Kläranlage testen.
"Der MFC wird in die bestehenden Pipelines der Anlage zur kontinuierlichen Abwasserbereitstellung integriert und der PEC wird im Freien aufgestellt, um eine natürliche solare Beleuchtung zu erhalten", sagte Qian.
"Glücklicherweise ist der Golden State mit reichlich Sonnenlicht gesegnet, das für den Feldtest verwendet werden kann", fügte Li hinzu.
Über die UC Santa Cruz