Aumentare le prestazioni delle celle a combustibile microbiche microfluidiche attraverso lo studio dei meccanismi di trasferimento degli elettroni, del metallo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7417 (2022) Citare questo articolo

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L’articolo presentato indaga fondamentalmente l’influenza di diversi meccanismi di trasferimento di elettroni, vari elettrodi a base metallica e un campo magnetico statico sulle prestazioni complessive delle celle a combustibile microbiche microfluidiche (MFC) per la prima volta per migliorare la bioelettricità generata. Per fare ciò, come anodo degli MFC microfluidici, sono stati studiati a fondo zinco, alluminio, stagno, rame e nichel. Due tipi di batteri, Escherichia coli e Shewanella oneidensis MR-1, sono stati utilizzati come biocatalizzatori per confrontare i diversi meccanismi di trasferimento degli elettroni. È stata valutata l'interazione tra l'anodo e i microrganismi. Infine, è stata valutata la possibilità di applicare un campo magnetico statico per massimizzare la potenza generata. Per l'anodo di zinco, sono stati ottenuti il ​​potenziale massimo di circuito aperto, la densità di corrente e la densità di potenza rispettivamente di 1,39 V, 138.181 mA m-2 e 35.294 mW m-2. La densità di corrente prodotta è almeno del 445% migliore rispetto ai valori ottenuti finora negli studi precedentemente pubblicati. Gli MFC microfluidici sono stati utilizzati con successo per alimentare diodi emettitori di luce ultravioletta (UV-LED) per applicazioni mediche e cliniche per chiarire la loro applicazione come generatori di energia di dimensioni micro per dispositivi medici impiantabili.

Le celle a combustibile microbiche (MFC) sono approcci promettenti per la generazione di bioelettricità verde e rinnovabile che utilizzano microrganismi come biocatalizzatori per raccogliere energia da substrati organici o biomassa1. Inoltre, le numerose applicazioni degli MFC nel trattamento delle acque reflue e nel biosensing2, nell'alimentazione di celle di elettrolisi microbica (MEC) per la produzione di bioidrogeno3 e oltre ai dispositivi diagnostici per il punto di cura4 attirano l'attenzione accademica. Queste ultime applicazioni si sono realizzate con l'aiuto della tecnologia microfluidica che offre vantaggi unici derivanti dall'integrazione di un'intera cella su un chip.

Essere in grado di alimentare sistemi miniaturizzati per dispositivi medici portatili, indossabili5 e impiantabili (IMD)6, avere tempi di risposta più brevi, controllare con precisione i parametri operativi1 e infine ottenere una migliore comprensione della formazione del biofilm e delle interazioni biologiche7 sono contrassegnati come le caratteristiche principali degli MFC microfluidici. Tuttavia, le applicazioni pratiche degli MFC microfluidici sono ancora limitate a causa della bassa densità di potenza in uscita e degli elevati costi di fabbricazione.

La potenza generata dipende da una varietà di fattori, tra cui parametri fisici (materiali degli elettrodi, configurazione della membrana e delle cellule), biologici (tipo di microrganismo e substrato e meccanismi di trasferimento degli elettroni nei microrganismi) e operativi (temperatura, pH, resistenza esterna e portata)8, 9,10. Poiché l'interazione diretta o indiretta tra il microrganismo e la superficie dell'anodo avviene per trasferire gli elettroni extracellulari, l'elettrodo dell'anodo svolge un ruolo fondamentale in questo processo. Inoltre, l'impatto della struttura e dei materiali dell'anodo, in particolare la loro biocompatibilità, porosità, topografia, rugosità e potenziale, potrebbe influenzare notevolmente la formazione di biofilm e la resistenza interna degli MFC microfluidici11. Un promettente anodo alternativo aumenterà in modo significativo la densità di potenza di uscita degli MFC microfluidici per accelerare la transizione di questa tecnologia dalla ricerca fondamentale alle applicazioni commerciali.

Fin dalla nascita della tecnologia MFC, sono stati condotti numerosi studi per trovare un elettrodo anodico con tutte le caratteristiche menzionate. Indipendentemente dagli studi sugli elettrodi a base di carbonio12, oltre quattordici elettrodi a base metallica, come nichel (Ni), oro (Au), rame (Cu), molibdeno (Mo), zinco (Zn), stagno (Sn) e alluminio ( Al), sono usati come elettrodi anodici negli MFC13,14. I risultati hanno indicato che il Mo ha una densità di corrente maggiore rispetto ad altri metalli e agli elettrodi a base di carbonio. Questo è stato il passo iniziale verso l’introduzione degli elettrodi a base metallica come alternativa competitiva agli elettrodi a base di carbonio. Inoltre, sono state sviluppate diverse strategie di modifica, come l'incorporazione di nanostrutture di nichel15 e la modifica della superficie con nanosfere Fe3O4 e ossido di grafene ridotto16, per migliorare la biocompatibilità, il rapporto area superficiale/volume e la conduttività elettrica17.