Concept d’artiste d’une pile à combustible microbienne dont l’efficacité est renforcée par des nanoparticules d’argent. Crédit : Image créée par AKang, Sphere Studio. Droits d’auteur : Yu Huang et Xiangfeng Duan
UNE L’équipe d’ingénieurs et de chimistes dirigée par l’UCLA a fait un grand pas en avant dans le développement de piles à combustible microbiennes, une technologie qui utilise des bactéries naturelles pour extraire des électrons de la matière organique des eaux usées afin de générer des courants électriques. Une étude détaillant la percée a été récemment publiée dans Science.
“Les systèmes de récupération d’énergie vivante utilisant des bactéries trouvées dans les eaux usées offrent un double coup pour les efforts de durabilité environnementale”, a déclaré l’auteur co-correspondant Yu Huang, professeur et président du département de science et d’ingénierie des matériaux à la UCLA Samueli School of Engineering. « Les populations naturelles de bactéries peuvent aider à décontaminer les eaux souterraines en décomposant les composés chimiques nocifs. Maintenant, nos recherches montrent également un moyen pratique d’exploiter les énergies renouvelables à partir de ce processus. »
L’équipe s’est concentrée sur les bactéries du genre Shewanella, qui ont été largement étudiées pour leurs capacités de génération d’énergie. Ils peuvent pousser et prospérer dans tous les types d’environnements, y compris le sol, les eaux usées et l’eau de mer, quels que soient les niveaux d’oxygène.
« Les systèmes de récupération d’énergie vivante utilisant des bactéries trouvées dans les eaux usées offrent un double coup de pouce aux efforts de durabilité environnementale. » – Yu Huang
Les espèces de Shewanella décomposent naturellement les déchets organiques en molécules plus petites, les électrons étant un sous-produit du processus métabolique. Lorsque les bactéries se développent sous forme de films sur les électrodes, certains des électrons peuvent être capturés, formant une pile à combustible microbienne qui produit de l’électricité.
Cependant, les piles à combustible microbiennes alimentées par Shewanella oneidensis n’ont auparavant pas capturé suffisamment de courants provenant des bactéries pour rendre la technologie pratique pour une utilisation industrielle. Peu d’électrons pourraient se déplacer assez rapidement pour s’échapper des membranes des bactéries et entrer dans les électrodes pour fournir des courants électriques et une puissance suffisants.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont ajouté des nanoparticules d’argent à des électrodes composées d’un type de graphèneoxyde. Les nanoparticules libèrent des ions d’argent, que les bactéries réduisent en nanoparticules d’argent à l’aide d’électrons générés par leur processus métabolique, puis incorporent dans leurs cellules. Une fois à l’intérieur des bactéries, les particules d’argent agissent comme des fils de transmission microscopiques, capturant davantage d’électrons produits par les bactéries.
“Ajouter les nanoparticules d’argent dans les bactéries, c’est comme créer une voie express dédiée aux électrons, ce qui nous a permis d’extraire plus d’électrons et à des vitesses plus rapides”, a déclaré Xiangfeng Duan, l’autre auteur correspondant de l’étude et professeur de chimie et biochimie à l’UCLA.
Avec une efficacité de transport d’électrons considérablement améliorée, le film Shewanella infusé d’argent qui en résulte produit plus de 80 % des électrons métaboliques vers le circuit externe, générant une puissance de 0,66 milliwatt par centimètre carré, soit plus du double de la meilleure précédente pour les piles à combustible à base microbienne.
Avec l’augmentation du courant et l’amélioration de l’efficacité, l’étude, qui a été soutenue par l’Office of Naval Research, a montré que les piles à combustible alimentées par des bactéries hybrides argent-Shewanella peuvent ouvrir la voie à une puissance de sortie suffisante dans des contextes pratiques.
Référence : « Les nanoparticules d’argent augmentent l’efficacité d’extraction de charge dans Shewanella piles à combustible microbiennes” par Bocheng Cao, Zipeng Zhao, Lele Peng, Hui-Ying Shiu, Mengning Ding, Frank Song, Xun Guan, Calvin K. Lee, Jin Huang, Dan Zhu, Xiaoyang Fu, Gerard CL Wong, Chong Liu, Kenneth Nealson, Paul S. Weiss, Xiangfeng Duan et Yu Huang, 17 septembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abf3427
Bocheng Cao, un doctorant de l’UCLA conseillé par Huang et Duan, est le premier auteur de l’article. Les autres auteurs principaux de l’UCLA sont Gerard Wong, professeur de bio-ingénierie; Paul Weiss, président présidentiel de l’UC et professeur distingué de chimie et biochimie, bio-ingénierie et science et ingénierie des matériaux ; et Chong Liu, professeur adjoint de chimie et de biochimie. Kenneth Nealson, professeur émérite de sciences de la terre à USC, est également un auteur principal.
Duan, Huang et Weiss sont tous membres du California NanoSystems Institute de l’UCLA.
