微生物燃料电池(MFCs)，可以直接将储存在有机物中的化学能转化为电能，在发电和废水处理中具有重要意义。然而，目前的MFCs通常表现出令人不满意的低功率密度，这在很大程度上受到缓慢的跨膜和细胞外电子传递过程的限制。
在此，来自美国加州大学洛杉矶分校的段镶锋&黄昱等研究者，报告了一种合理的策略，通过引入跨膜和外膜银纳米颗粒大幅提高希瓦氏菌MFCs的电荷提取效率。
微生物燃料电池(MFCs)，可以通过微生物代谢将储存在多种可生物降解有机物中的化学能直接转化为电能。多种多样的细菌种类和广泛的燃料，使MFCs成为利用生物质和废水处理产生可再生生物电力的有吸引力的技术。因此，MFCs越来越受到学术界和产业界的关注。在驱动这些系统的细菌中，Shewanella由于在好氧和厌氧环境中生长旺盛，并在土壤和海水中分布丰富而被广泛研究用于生物修复和环境能量恢复。然而，从典型的希瓦氏菌MFCs中获得的电流密度和功率密度一般都过低，不适合实际应用。低功率输出，很大程度上受到细菌负极的限制，因为细菌负载能力低和/或相对较差的胞外电子转移效率。
为了改善MFC负极电极，人们付出了大量的努力，通过增加细菌负载能力或提高电极导电性。例如，具有介孔结构的三维电极，可以提供更高的比表面积和更大的空间来装载更多的细菌。碳纳米材料，如石墨烯、碳纳米管及其与非碳材料的复合材料，已被探索以降低电荷转移电阻。此外，金属纳米粒子已表明可改善电池-电极电荷转移和电流输出，但这种纳米粒子的确切位置和基本作用仍不清楚，这种方法在改善MFC功率输出方面的潜力还有待证实。尽管采用了这些策略，MFCs的输出功率密度迄今为止已经达到了一个平台，很少超过0.3 mW/cm2，这可能是由于跨膜和细胞外电子转移过程的效率限制。
在MFCs中的细菌内部，细菌细胞质中分解代谢过程产生的电子，通过一系列直接或间接的电子转移过程转移到电极表面。总的来说，跨膜和胞外电子转移过程，通常涉及缓慢的通过非典型导体的氧化还原中心或通过多个氧化还原循环的电子跳跃，这将严重限制电荷转移效率。因此，为了突破目前MFCs的功率限制，必须设计能从根本上解决这些电荷转移限制的负极电极，以有效地将代谢电子提取到外部电极。
在此，研究者报告了一种合理的策略，可促进Shewanella MFCs的跨膜和细胞外电子转移过程，该MFCs由还原氧化石墨烯-银纳米颗粒(rGO/Ag)支架构建。研究者的系统研究表明，rGO/Ag可以释放带正电荷的银离子，促进希瓦菌粘附在rGO/Ag支架上形成致密的生物膜，产生Shewanella-Ag混合体，电子转移效率大大提高，提高细菌周转频率(TOF)，提高MFC整体性能。由此产生的Shewanella-silver MFCs的最大电流密度为3.85毫安/平方厘米，功率密度为0.66毫瓦/平方厘米，单细胞循环频率为8.6×105/秒，这些都大大高于迄今为止报道的最佳MFCs。此外，混合MFCs具有优良的燃料利用效率，库仑效率为81%。
图1 希瓦氏菌生物膜的特性。
图2 不同负极的希瓦氏菌MFCs性能比较。
图3 不同负极希瓦氏菌MFCs的周转频率(TOFs)。
图4 希瓦内菌-银混合体跨膜结构的表征。
图5 EIS测试。
综上所述，高密度Shewanella生物膜与rGO/Ag负极电极一起，使MFCs具有更高的功率输出和库仑效率。因此，Shewanella-metal混合体为突破天然细菌的电子转移限制和突破MFCs的极限，提供了一条有效途径。
