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微生物燃料电池大突破:只要土壤中有碳就行!


录入时间:2024-1-18 15:13:06

  近期,美国西北大学的一个研究小组展示了一种非凡的发电新方法,他们将一个平装书大小的装置放置在土壤中,只要土壤中有碳,就可以利用微生物分解泥土产生的能量来发电。

  这种设备被称为微生物燃料电池,已有100多年的历史。它们的工作原理有点像电池,有阳极、阴极和电解质,但它们不是从化学来源获取电力,而是与细菌一起工作,细菌在吞噬土壤时自然地向附近的导体提供电子。

   然而,这些细菌需要被埋在泥土里的同时保持水和氧气的供应。该项目负责人Bill Yen说,“它们的性能不可靠和输出功率较低,阻碍了它们的实际应用,特别是在低湿度条件下。”

  因此,研究小组着手创造了几种新的设计,旨在使电池能够持续接触氧气和水,并成功地研制出了一种形状像垂直放置在水平圆盘上的墨盒的设计。圆盘状的碳毡阳极水平放置在设备底部,深埋在土壤中,当微生物消化泥土时,它可以捕获电子。

  与此同时,导电金属阴极则垂直放置在阳极的顶部。因此,只要底部埋得足够深,就可以从深层土壤中获取水分,而顶部则与地表齐平。

  此外,在电极的整个长度上都有一个通气间隙,顶部的保护盖可以防止灰尘和碎屑掉入,切断阴极与氧气的接触。阴极的一部分还涂有防水材料,这样当洪水泛滥时,仍有一部分疏水性阴极与氧气接触,以保持燃料电池的运行。

  最新研究成果已于近期发表在了《计算机协会(ACM)交互、移动、可穿戴和泛在技术论文集》(Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies)上。

  在测试中,这种设计在不同的土壤湿度水平下表现一致,从完全浸没在水中到“有些干燥”的土壤(含水量仅为 41%)。平均而言,它所产生的电量是其板载湿度和触摸检测系统运行所需电量的68倍,并能通过微型天线将数据传输到附近的基站。

  与其他超长期发电来源一样,比如利用核废料制成的光伏金刚石电池,这里产生的电量不足以驱动智能手机,更多的是被设计为为小型传感器供电,这些传感器可以长期运行,无需定期更换电池。

  Yen说:“如果我们想象未来有数万亿个这样的设备,我们不可能用锂、重金属和对环境有害的毒素来制造每一个设备。我们需要找到替代方案。因此,我们把目光投向了土壤微生物燃料电池,它利用特殊的微生物来分解土壤,并利用这种低能量来为传感器供电。只要土壤中有有机碳供微生物分解,燃料电池就有可能永远运行下去。”

  根据研究团队的说法,上述设计最巧妙的部分是,其所有组件都可以在五金店的货架上买到。因此,在这项研究和广泛商业化之间不存在供应链或材料问题。


来源:财联社

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