銀をバクテリアに注入して燃料電池の電力効率を向上させることに成功

銀をバクテリアに注入して燃料電池の電力効率を向上させることに成功化学
銀ナノ粒子で効率を高めた微生物燃料電池の想像図 Credit: AKang, Sphere Studio. © Yu Huang and Xiangfeng Duan.

カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)のエンジニアと化学者のチームは、微生物燃料電池の開発に大きな一歩を踏み出しました。

微生物燃料電池とは、天然のバクテリアを利用して排水中の有機物から電子を取り出し、電流を発生させる技術です。

この研究成果は、Science誌に掲載されました。

共同執筆者であるUCLA Samueli School of Engineering(UCLAヘンリーサミュエリエンジニアリング)の教授兼材料科学・工学部門長のYu Huang氏は、「廃水中のバクテリアを利用した生活エネルギー回収システムは、環境維持のためのワン・ツー・パンチとなるでしょう。」と述べています。

「バクテリアの自然な集団は、有害な化学物質を分解することで、地下水の汚染を取り除くことができます。今回の研究では、このプロセスから再生可能エネルギーを利用する実用的な方法も明らかになりました。」と述べています。

研究チームは、エネルギー生成能力について広く研究されているシュワネラ属のバクテリアに注目しました。

シュワネラ菌は、土壌、排水、海水など、酸素濃度に関係なく、あらゆる環境で増殖することができます。

シュワネラ菌は、有機廃棄物をより小さな分子に分解し、その代謝過程で電子が副産物として発生します。

この細菌が電極上で膜状に成長すると、電子の一部が取り込まれ、電気を生み出す微生物燃料電池が形成されます。

しかし、シュワネラ・オネイデンシス1シュワネラ菌の一種を用いた微生物燃料電池は、これまで産業用として実用化できるほどの電流をバクテリアから得ることができませんでした。

これは、十分な電流と電力を供給するために、バクテリアの膜を抜けて電極に入るほど速く移動できる電子が少なかったためです。

この問題を解決するために、研究者たちは、酸化グラフェンの一種で構成された電極に銀のナノ粒子を加えました。

ナノ粒子からは銀イオンが放出され、バクテリアはその代謝過程で発生する電子を使って銀ナノ粒子に還元し、細胞内に取り込みます。

バクテリアの体内に入った銀粒子は、微細な送電線の役割を果たし、バクテリアが生成した電子をさらに取り込みます。

UCLAの化学・生化学教授であるXiangfeng Duan氏は、「銀ナノ粒子をバクテリアに加えることは、電子専用の高速レーンを作るようなもので、より多くの電子をより速く取り出すことができました」と述べています。

電子輸送効率が大幅に改善された結果、銀を注入したシェワネラ膜は、代謝した電子の80%以上を外部回路に出力し、1平方センチメートルあたり0.66ミリワットの電力を生み出しました。

これは、微生物を利用した燃料電池の従来の最高記録の2倍以上にあたります。

海軍研究局の支援を受けたこの研究では、電流の増加と効率の向上により、銀とシェワネラのハイブリッド細菌を用いた燃料電池が、実用的な環境で十分な出力を得る道を開く可能性が示されました。

Published by University of California, Los Angeles. 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 C. L. Wong, Chong Liu, Kenneth Nealson, Paul S. Weiss, Xiangfeng Duan, Yu Huang. Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells. Science, 2021; 373 (6561): 1336 DOI: 10.1126/science.abf3427
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