Carbone

Aug 30, 2023

Société chinoise des sciences de l'environnement

image : A, Conception et matériaux d'électrode des quatre SMFC testés dans cette étude. b, ensemble cathode. c, montage expérimental.Voir plus

Crédit : Sciences de l'environnement et écotechnologie

Dans le contexte de l'augmentation de la demande énergétique et des préoccupations environnementales, les solutions d'énergie renouvelable sont essentielles pour atteindre des émissions nettes nulles d'ici 2050. Les technologies électrochimiques microbiennes, telles que les SMFC, sont rentables et respectueuses de l'environnement, ce qui en fait une option attrayante pour les systèmes d'énergie verte. . Les SMFC utilisent des micro-organismes endogènes présents dans le sol pour convertir la matière organique en électricité, offrant une source d'énergie durable et une stratégie de bioremédiation in situ auto-alimentée pour les sols contaminés.

Les matériaux cathodiques jouent un rôle important dans les performances des piles à combustible microbiennes. Dans cette étude, les chercheurs ont comparé les performances des SMFC à cathode à air sans membrane en utilisant quatre cathodes différentes : un tissu de carbone, un tissu de carbone dopé au Pt, un feutre de graphite et une électrode innovante en nanofibres de carbone dopées au Fe. Les chercheurs ont effectué des tests électrochimiques sur de longues périodes, ainsi que des analyses taxonomiques microbiennes, pour évaluer l'effet des matériaux d'électrode sur la formation de biofilm et les performances électrochimiques.

Dans une étude publiée dans le volume 16 de la revue Environmental Science and Ecotechnology en avril 2023, des chercheurs de l'Université de Bath ont révélé que les nanofibres de carbone dopées au Fe et les cathodes en tissu de carbone dopées au Pt offraient des performances stables, avec des densités de puissance maximales de 25,5 et 30,4 mW. m−2, respectivement. Les cathodes en feutre de graphite ont démontré les meilleures performances électrochimiques, avec une densité de puissance maximale de 87,3 mW m−2. Cependant, ils présentaient également la plus grande instabilité.

Un examen des communautés microbiennes a révélé des différences entre les communautés anodiques et cathodiques. Les anodes étaient principalement enrichies d'espèces Geobacter et Pseudomonas, tandis que les communautés cathodiques étaient dominées par des bactéries productrices d'hydrogène et hydrogénotrophes. Cela suggère que le cycle de l'hydrogène pourrait être un mécanisme de transfert d'électrons possible. De plus, la présence de bactéries réduisant les nitrates en combinaison avec les résultats d'un voltamogramme cyclique a indiqué qu'une réduction microbienne des nitrates s'est produite sur les cathodes en feutre de graphite.

L'utilisation de cathodes innovantes en nanofibres de carbone dopées au Fe a fourni des performances électrochimiques comparables au tissu de carbone dopé au Pt, offrant une alternative à faible coût. Cependant, le feutre de graphite a surpassé toutes les autres électrodes testées mais a affiché une reproductibilité plus faible et des pertes de transport de masse plus élevées. Le profilage taxonomique microbien des biofilms cathodiques a révélé la présence de taxons liés à la réduction de l'oxygène ou à l'implication dans l'utilisation d'accepteurs d'électrons alternatifs, tels que le nitrate.

Les résultats de cette étude peuvent guider les recherches futures sur les SMFC à faible coût et à haute performance pour des applications pratiques dans la récupération d'énergie et la bioremédiation. En comprenant comment les matériaux d'électrode influencent les communautés microbiennes et les performances électrochimiques, les chercheurs peuvent accélérer la traduction des SMFC en implémentations réelles.

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Les références

Auteurs

Arpita Nandy a, Daniel Farkas b, Belén Pepió-Tárrega c, Sandra Martinez-Crespiera c, Eduard Borràs c, Claudio Avignone-Rossa b, Mirella Di Lorenzo a

Affiliations

un Département de génie chimique et Centre de biocapteurs, de bioélectronique et de biodispositifs (C3Bio), Université de Bath, Claverton Down, BA2 7AY, Royaume-Uni

b Département des sciences microbiennes, Université de Surrey, Guildford, GU2 7XH, Royaume-Uni

c Centre technologique LEITAT, C/ de la Innovación, 2, 08225, Terrassa, Barcelone, Espagne

Sciences de l'environnement et écotechnologie

10.1016/j.ese.2023.100276

N'est pas applicable

Influence des cathodes à base de carbone sur la composition du biofilm et les performances électrochimiques dans les piles à combustible microbiennes du sol

8-Avr-2023

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont pas d'intérêts financiers concurrents ou de relations personnelles connus qui auraient pu sembler influencer le travail rapporté dans cet article.

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