利用微生物燃料电池(MFCs)中的细菌发电

据估计，到2050年，世界人口将达到95亿。鉴于我们目前的能源大部分来自化石燃料，这在提供足够的可持续电力的同时缓解气候变化方面带来了重大挑战。

近几年来，有一个想法得到了广泛的关注，那就是利用微生物燃料电池(MFCs)中的细菌发电。这些燃料电池依赖于某些自然存在的微生物的能力，这些微生物能够“呼吸”金属，交换电子来产生电能。这一过程可以使用称为基质的物质作为燃料，其中包括废水中发现的有机物。

目前，微生物燃料电池能够发电，为计算器、小风扇和发光二极管等小型设备提供动力。在我们的实验室里，我们用“模拟废水”为一棵微型圣诞树上的灯供电。但如果这项技术扩大规模，它将大有可为。

MFCs使用一个由阳极和阴极电极组成的系统，可以通过电流输入或输出。常见的MFCs系统由一个阳极室和一个被膜隔开的阴极室组成。细菌在阳极上生长，并将底物转化为二氧化碳、质子和电子。

产生的电子随后通过外部电路转移到阴极室，而质子则通过薄膜。在阴极室中，质子和电子之间的反应会消耗掉氧气并形成水。只要基底不断转换，电子就会流动，这就是电。

通过MFCs发电有许多优点：系统可以在任何地方建立;它们产生的“污泥”比传统的废水处理方法(如活性污泥系统)少;它们可以是小规模的，但模块化设计可以用来建立更大的系统;它们对盐度有很高的耐受性;它们可以运行在室温下。

可用于在MFCs中发电的各种可再生基板的可用性有可能在未来彻底改变电力生产。这些基质包括尿液、废水中的有机物、活植物分泌到土壤中的物质(根系分泌物)、无机废物，如硫化物，甚至气体污染物。

二、植物MFCs

MFCs可以用来发电的另一种可再生和可持续的基质是植物根系分泌物，即所谓的植物MFCs。当植物生长时，它们会产生葡萄糖等碳水化合物，其中一些会渗出到根系中。根部附近的微生物将碳水化合物转化为质子、电子和二氧化碳。

在植物MFCs中，质子通过膜传递，然后与氧气重新结合，完成电子转移的回路。通过将负载连接到电路中，所产生的电能就可以利用了。

工厂MFC可以彻底改变那些无法接入电网的孤立社区的电力生产。在城镇里，街道可以用树照明。

三、微生物脱盐池

微生物燃料电池的另一个变种是微生物脱盐电池。这些装置利用细菌发电，例如从废水中发电，同时使水脱盐。将要脱盐的水放入夹在MFCs的阳极室和阴极室之间的室中，使用带负(阴离子)和正(阳离子)电荷的离子的膜。

当阳极室中的细菌消耗废水时，会释放出质子。这些质子不能通过阴离子膜，所以负离子从盐水进入阳极室。在阴极，质子被消耗掉，所以带正电的离子从盐水移到阴极室，使中间室的水淡化。阳极和阴极室释放的离子有助于提高发电效率。

传统的海水淡化目前是非常能源密集的，因此成本高昂。一种在生产(不消耗)电能的同时实现大规模海水淡化的工艺将是革命性的。

ITMO大学的物理学家发现了一种新方法，该方法可以在保持太阳能电池效率的同时将透明材料用于太阳能电池。新技术基于掺杂方法，通过添加杂质来改变材料的特性，但无需使用昂贵的专用设备。

这项研究的结果已发表在ACSAppliedMaterials&Interfaces(“离子门控小分子OPV：电荷收集器和传输层的界面掺杂”中)中。

太阳能最吸引人的挑战之一是开发透明的薄膜光敏材料。这种薄膜可以应用在普通窗户的顶部以产生能量，而不会影响建筑物的外观。但是开发将高效率和良好透光率结合在一起的太阳能电池是非常困难的。

常规的薄膜太阳能电池具有不透明的金属背接触，可以捕获更多的光。透明太阳能电池使用透光背电极。在这种情况下，某些光子在通过时不可避免地会丢失，从而降低了设备的性能。此外，生产具有适当性能的背电极可能会非常昂贵，

审核编辑：汤梓红