Tecnologia Científica

Os pesquisadores infundem prata com bactérias para melhorar a eficiência energética nas células de combustível
A equipe se concentrou no gênero de bactéria  Shewanella , que tem sido amplamente estudado por sua capacidade de geração de energia.
Por Universidade da Califórnia, Los Angeles - 17/09/2021


O conceito artístico de uma célula a combustível microbiana com eficiências impulsionadas por nanopartículas de prata. Crédito: AKang, Sphere Studio. Direitos autorais: Yu Huang e Xiangfeng Duan.

Uma equipe de engenheiros e químicos liderada pela UCLA deu um grande passo no desenvolvimento de células a combustível microbianas - uma tecnologia que utiliza bactérias naturais para extrair elétrons da matéria orgânica em águas residuais para gerar correntes elétricas. Um estudo detalhando a descoberta foi publicado recentemente na  Science . 

"Os sistemas vivos de recuperação de energia que utilizam bactérias encontradas em águas residuais oferecem um golpe duplo para os esforços de sustentabilidade ambiental", disse o coautor Yu Huang, professor e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Escola de Engenharia da UCLA Samueli. "As populações naturais de bactérias podem ajudar a descontaminar as águas subterrâneas, quebrando compostos químicos prejudiciais. Agora, nossa pesquisa também mostra uma maneira prática de aproveitar a energia renovável desse processo." 

A equipe se concentrou no gênero de bactéria  Shewanella , que tem sido amplamente estudado por sua capacidade de geração de energia. Eles podem crescer e prosperar em todos os tipos de ambientes - incluindo solo, águas residuais e água do mar - independentemente dos níveis de oxigênio.  

As espécies de Shewanella decompõem naturalmente os resíduos orgânicos em moléculas menores, sendo os elétrons um subproduto do processo metabólico. Quando as bactérias crescem como filmes em eletrodos, alguns dos elétrons podem ser capturados, formando uma célula a combustível microbiana que produz eletricidade. 

No entanto, as células a combustível microbianas alimentadas por  Shewanella oneidensis não capturavam correntes suficientes da bactéria para tornar a tecnologia prática para uso industrial. Poucos elétrons poderiam se mover com rapidez suficiente para escapar das membranas das bactérias e entrar nos eletrodos para fornecer energia e correntes elétricas suficientes.

Para resolver esse problema, os pesquisadores adicionaram nanopartículas de prata aos eletrodos que são compostos de um tipo de óxido de grafeno. As nanopartículas liberam íons de prata, que as bactérias reduzem a nanopartículas de prata usando elétrons gerados a partir de seu processo metabólico e, em seguida, incorporam em suas células. Uma vez dentro da bactéria, as partículas de prata atuam como fios microscópicos de transmissão, capturando mais elétrons produzidos pela bactéria.

"Adicionar as nanopartículas de prata  às bactérias é como criar uma via expressa dedicada para elétrons, que nos permitiu extrair mais elétrons e em velocidades mais rápidas", disse Xiangfeng Duan, outro autor correspondente do estudo e professor de química e bioquímica da UCLA. 

Com a eficiência de transporte de elétrons muito melhorada, o filme de Shewanella infundido com prata resultante emite mais de 80% dos elétrons metabólicos para o circuito externo, gerando uma potência de 0,66 miliwatts por centímetro quadrado - mais do que o dobro do melhor anterior para células a combustível de base microbiana.

Com o aumento da corrente e eficiências aprimoradas, o estudo, que foi apoiado pelo Office of Naval Research, mostrou que as células de combustível alimentadas por bactérias  híbridas de prata- Shewanella  podem abrir caminho para uma produção de energia suficiente em ambientes práticos.

Bocheng Cao, um estudante de doutorado da UCLA orientado por Huang e Duan, é o primeiro autor do artigo. Outros autores seniores da UCLA são Gerard Wong, professor de bioengenharia; Paul Weiss, uma cadeira presidencial da UC e distinto professor de química e bioquímica, bioengenharia e ciência de materiais e engenharia; e Chong Liu, professor assistente de química e bioquímica. Kenneth Nealson, professor emérito de ciências da terra na USC, também é um autor sênior.

Duan, Huang e Weiss são todos membros do California NanoSystems Institute da UCLA. 

 

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