Steigerung der Leistung mikrofluidischer mikrobieller Brennstoffzellen durch Untersuchung von Elektronentransfermechanismen, Metall

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7417 (2022) Diesen Artikel zitieren

4799 Zugriffe

6 Zitate

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

In der vorgestellten Arbeit wird erstmals grundlegend der Einfluss verschiedener Elektronentransfermechanismen, verschiedener metallbasierter Elektroden und eines statischen Magnetfelds auf die Gesamtleistung mikrofluidischer mikrobieller Brennstoffzellen (MFCs) untersucht, um die erzeugte Bioelektrizität zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Zink, Aluminium, Zinn, Kupfer und Nickel als Anoden mikrofluidischer MFCs gründlich untersucht. Zwei Arten von Bakterien, Escherichia coli und Shewanella oneidensis MR-1, wurden als Biokatalysatoren verwendet, um die verschiedenen Elektronentransfermechanismen zu vergleichen. Die Wechselwirkung zwischen der Anode und den Mikroorganismen wurde bewertet. Abschließend wurde das Potenzial der Anwendung eines statischen Magnetfelds zur Maximierung der erzeugten Leistung bewertet. Für die Zinkanode wurden das maximale Leerlaufpotential, die Stromdichte und die Leistungsdichte von 1,39 V, 138.181 mA m-2 bzw. 35.294 mW m-2 erhalten. Die erzeugte Stromdichte ist um mindestens 445 % besser als die in bisher veröffentlichten Studien ermittelten Werte. Die mikrofluidischen MFCs wurden erfolgreich zur Stromversorgung von ultravioletten Leuchtdioden (UV-LEDs) für medizinische und klinische Anwendungen eingesetzt, um ihre Anwendung als Mikrostromgeneratoren für implantierbare medizinische Geräte zu untersuchen.

Mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) sind vielversprechende Ansätze zur grünen und erneuerbaren Biostromerzeugung, die Mikroorganismen als Biokatalysatoren nutzen, um Energie aus organischen Substraten oder Biomasse zu gewinnen1. Darüber hinaus erregen die zahlreichen Anwendungen von MFCs in der Abwasserbehandlung und Biosensorik2, dem Antrieb mikrobieller Elektrolysezellen (MEC) für die Biowasserstoffproduktion3 und darüber hinaus in Point-of-Care-Diagnosegeräten4 akademische Aufmerksamkeit. Die letztgenannten Anwendungen wurden mithilfe der Mikrofluidiktechnologie verwirklicht, die einzigartige Vorteile der Integration einer gesamten Zelle auf einem Chip bietet.

Die Fähigkeit, miniaturisierte Systeme für tragbare, tragbare5 und implantierbare medizinische Geräte (IMDs)6 mit Strom zu versorgen, kürzere Reaktionszeiten zu haben, Betriebsparameter präzise zu steuern1 und schließlich ein besseres Verständnis der Biofilmbildung und biologischen Wechselwirkungen7 zu erreichen, gelten als Hauptmerkmale mikrofluidischer MFCs. Allerdings sind die praktischen Anwendungen mikrofluidischer MFCs aufgrund der geringen Ausgangsleistungsdichte und der hohen Herstellungskosten immer noch begrenzt.

Die erzeugte Leistung hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, darunter physikalische (Elektrodenmaterialien, Membran- und Zellkonfiguration), biologische (Mikroorganismus- und Substrattyp und Elektronentransfermechanismen in Mikroorganismen) und Betriebsparameter (Temperatur, pH-Wert, äußerer Widerstand und Durchflussrate)8. 9,10. Da eine direkte oder indirekte Wechselwirkung zwischen dem Mikroorganismus und der Anodenoberfläche zur Übertragung extrazellulärer Elektronen stattfindet, spielt die Anodenelektrode in diesem Prozess eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus könnte der Einfluss der Anodenstruktur und der Anodenmaterialien, insbesondere deren Biokompatibilität, Porosität, Topographie, Rauheit und Potenzial, die Biofilmbildung und den Innenwiderstand mikrofluidischer MFCs erheblich beeinflussen11. Eine vielversprechende alternative Anode wird die Ausgangsleistungsdichte mikrofluidischer MFCs deutlich erhöhen, um den Übergang dieser Technologie von der Grundlagenforschung zu kommerziellen Anwendungen zu beschleunigen.

Seit Beginn der MFC-Technologie wurden zahlreiche Studien durchgeführt, um eine Anodenelektrode mit allen genannten Eigenschaften zu finden. Unabhängig von der Untersuchung von kohlenstoffbasierten Elektroden12 wurden mehr als vierzehn metallbasierte Elektroden wie Nickel (Ni), Gold (Au), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Zink (Zn), Zinn (Sn) und Aluminium ( Al) werden als Anodenelektroden in MFCs13,14 verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass Mo eine höhere Stromdichte aufweist als andere Metalle und kohlenstoffbasierte Elektroden. Dies war der erste Schritt zur Einführung metallbasierter Elektroden als wettbewerbsfähige Alternative zu kohlenstoffbasierten Elektroden. Darüber hinaus wurden verschiedene Modifikationsstrategien, wie der Einbau von Nickel-Nanostrukturen15 und die Oberflächenmodifizierung mit Fe3O4-Nanokugeln und reduziertem Graphenoxid16, entwickelt, um die Biokompatibilität, das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern17.

Bei der Verwendung metallbasierter Elektroden wurde ein interessantes Ergebnis beobachtet, das darauf hindeutet, dass sie möglicherweise vielversprechendere Anodenmaterialien sind als kohlenstoffbasierte Elektroden. Für ein Sn-beschichtetes Kupfernetz gegenüber einer Graphitelektrode wurde eine Verdreifachung der Leistungsdichte berichtet18. Metallbasierte Elektroden sind mechanisch stärker, haben eine höhere elektrische Leitfähigkeit und sind kostengünstiger. Außer Ni19 und Au20 wurde bisher keine andere metallbasierte Elektrode in mikrofluidischen MFCs gründlich untersucht. Das Zusammenspiel von Mikroorganismen und Elektrodentyp ist ein kritischer Punkt, der nicht sorgfältig berücksichtigt wurde.

Exoelektrogene Mikroorganismen fungieren als Biokatalysatoren für MFCs, um organische Substrate abzubauen und gleichzeitig extrazelluläre Elektronen zu erzeugen. Elektronen können direkt von Bakterien auf Elektroden übertragen werden, beispielsweise Nanodrähte (produziert von Arten wie S. oneidensis MR-1), oder über selbst produzierte Mediatoren wie Cytochrom c, erzeugt von E. coli9.

Die Interpretation der Elektronentransfermechanismen in einer Mischkultur, die aus einer Flut von Bakterien besteht, ist noch nicht vollständig geklärt. Beispielsweise erzeugte Kupfer als Anodenelektrode Stromdichten von 1513 und 0 Am-214 unter Verwendung zweier unterschiedlicher Geobacter-dominanter Mischkulturen. Andererseits führte die Untersuchung mikrofluidischer MFCs, die mit Reinkulturen wie S. oneidensis MR-121, E. coli19 und Geobacter22 beimpft wurden, zu einer einfachen Überlegung. Allerdings gibt es keinen Bericht, der die Stromerzeugung unter identischen Betriebsbedingungen unter Verwendung von Elektrodentypen und Elektronentransfermechanismen bewertet und vergleicht.

Unter den zahlreichen Strategien, die in zuvor veröffentlichten Studien zur Intensivierung der Biostromerzeugung eingesetzt wurden, sind vier Techniken erwähnenswert. Erstens die Zugabe chemisch synthetisierter Mediatoren (z. B. Methylenblau), um die Übertragung der erzeugten Elektronen zu erleichtern23; zweitens das Ausschalten störender Gene im intrazellulären Stoffwechselprozess der Biostromproduktion24; drittens die Förderung mutierter Stämme, um die Bakterienanhaftung an der Anode zu verbessern und die Stromdichte um mehr als 50 % zu erhöhen25; und viertens die Verbesserung der Biofilmbildung durch die Kombination der wirksamen Gene von E. coli und S. oneidensis MR-1. Die endgültige Technik steigerte die erzeugte Leistungsdichte um das 2,8-fache (von 61 auf 167,6 mW m-2)26. Aufgrund der hohen Kosten exogener Mediatoren und ihrer potenziellen Toxizität für Mikroorganismen hat die Kommerzialisierung angereicherter mikrofluidischer MFCs mithilfe dieser Technik Zweifel an ihrer Kommerzialisierung aufkommen lassen9. Darüber hinaus ist das Metabolic Engineering exoelektrogener Mikroorganismen ein teurer und zeitaufwändiger Prozess, der die akademische Forschung nach alternativen Techniken zur Verbesserung der Bioelektrizität anregt.

Neben dem Potenzial metallbasierter Elektroden und der Nutzung von Elektronentransfermechanismen ist die Anwendung eines statischen Magnetfelds eine weitere praktikable Methode zur Verbesserung der Biostromerzeugung. Es wurde berichtet, dass an die Anode27 oder Kathode28 von MFCs gekoppelte Permanentmagnete die Biostromerzeugung verbessern. Dieses Phänomen wurde erstmals von Moore eingeführt und auf eine Verbesserung des Stoffwechsels von Elektrogenese-Mikroorganismen zurückgeführt29. Darüber hinaus wurde darauf hingewiesen, dass die Kopplung einer Elektrode mit Permanentmagneten den Elektronentransfer zwischen Mikroorganismen und Elektroden beschleunigt30. Zu den Effekten des Anlegens eines Magnetfelds gehören ein schneller Start und eine Verringerung des Innenwiderstands (ca. 39 % Verringerung) der MFCs, was letztendlich die erzeugte Leistungsdichte um mehr als 31 % steigerte. Ein übermäßiger Anstieg der Magnetfeldstärke kann sich jedoch negativ auf die Stromerzeugung auswirken27. Es versteht sich von selbst, dass es eine optimale Magnetfeldstärke zur Maximierung der Biostromproduktion gibt. Der Einfluss von Magnetfeldern auf die Leistung mikrofluidischer MFCs als Plattform zur Verbesserung der Stromerzeugung sollte gründlich untersucht werden.

Unabhängig davon, wie akribisch Stoffwechselprozesse von Mikroorganismen untersucht werden oder wie Gentechnik zur Verbesserung des Elektronentransfers eingesetzt wird, sollte eine umfassende Perspektive zur Verbesserung der Interaktion zwischen Mikroben und Elektronenakzeptoren als kostengünstige und unkomplizierte Methode berücksichtigt werden. Die Ziele dieser Studie bestehen zunächst darin, metallbasierte Elektroden als Anoden mikrofluidischer MFCs zu bewerten und die Biostromproduktion zu verbessern. Zweitens Untersuchung der Auswirkung von Elektronentransfermechanismen und der Wechselwirkung der Anodenelektrode mit Mikroorganismen auf die Gesamtleistung des Systems. Abschließend wird die mögliche Anwendung eines statischen Magnetfelds zur Maximierung der erzeugten Leistung bewertet. Da die Endanwendungen der hergestellten mikrofluidischen MFCs auf medizinische Geräte ausgerichtet sein können, ist die Nutzung nicht pathogener Bakterien von entscheidender Bedeutung. Zwei nicht pathogene Spezies, S. oneidensis MR-1 mit direktem Elektronentransfer und E. coli mit indirektem Elektronentransfer, wurden unter den gleichen Bedingungen in die mikrofluidischen MFCs eingeimpft. Darüber hinaus wurde erstmals die Fähigkeit mikrofluidischer MFCs zur Stromversorgung von ultravioletten Leuchtdioden (UV-LEDs) für medizinische und klinische Anwendungen bewertet.

Abbildung 1A zeigt eine schematische Explosionsdarstellung des vorgeschlagenen mikrofluidischen MFC. Ein Rechteck mit einer Breite von 1 mm und einer Länge von 65 mm wurde auf einer Polymethylmethacrylat (PMMA)-Platte mit einer Dicke von 1 mm (Cho Chen, Taiwan) durch einen Laserstrahl geschnitten und dann vollständig entfernt, um einen geraden Mikrokanal zu bilden die Platte, die als Anolytfach der mikrofluidischen MFCs dient. Die Höhe des Mikrokanals entsprach also der Dicke der PMMA-Platte. Aufgrund seiner überlegenen Leistung wurde ein gerader Mikrokanal einem Spiralkanal3 oder einer quadratischen Geometrie15 vorgezogen. Zwei Löcher für jede Zelle mit einem Durchmesser von 1,6 mm wurden außerdem in zwei PMMA-Platten geschnitten und Spritzenspitzen (16G, Changzhou Shuangma Medical Devices, China) in die Platten eingeführt, um einen Einlass und Auslass für die Substratinjektion und die Abwasserentfernung bereitzustellen. Der Laserschneidprozess wurde mit einer CO2-Lasermaschine (Modell CMA1390-LG, GD Han's Yueming Laser, China) mit einer Leistung, einem Abstand und einer Geschwindigkeit von 50 W, 6,5 mm bzw. 70 mm s-1 durchgeführt. Die hergestellten PMMA-Platten wurden mit Chloroformkleber befestigt, um den Hauptkörper des Geräts zu bilden. Dann wurde, wie in Abb. 1B gezeigt, die vorbereitete Anode auf einer Seite des Geräts und die Kathode auf der gegenüberliegenden Seite (dh vor der Anode) platziert. Es ist zu beachten, dass eine Seite der Kathode der Luft ausgesetzt war. Daher spielte der Luftsauerstoff eine Rolle als Elektronenakzeptor und löste eine kathodische Redoxreaktion aus. Zur Befestigung von Anode und Kathode wurde Epoxidkleber verwendet. Abschließend wurden Kupferdrähte mit einem Durchmesser von 0,5 mm mit Epoxidkleber an den Ecken der Elektroden befestigt, um die elektrischen Kontakte herzustellen. Bei der hergestellten Zelle handelte es sich um eine mikrofluidische Einkammer-MFC, die ein 50-µl-Anolytfach mit einer projizierten Oberfläche von 0,5 cm2 enthielt.

Schematische Darstellung des mikrofluidischen MFC: (A) Explosionszeichnung und (B) hergestelltes Gerät. (C) Schematische Details zum Anlegen eines statischen Magnetfelds durch Nd-Fe-B-Permanentmagnete. (1): Substrateinlass; (2): Substratauslass; (3) Mikrokanal und Zellkörper; (4): Anode; (5): Kathode; (6): oberer Magnet; (7): unterer Magnet.

Als Basis der Kathodenelektrode wurde Kohlenstoffgewebe (3 mm × 50 mm) verwendet. Auf der Lösungsseite der Kathode wurde außerdem eine Katalysatorschicht aufgetragen, um die Leistung des mikrofluidischen MFC zu verbessern. Kurz gesagt, eine Mischung aus Platin und Kohlenstoffpulver (10 Gew.-% Pt/C, Sigma-Aldrich) (0,5 mg Pt/cm2 Kohlenstoffgewebe), Nafion-Lösung (5 % Nafion-Lösung, Alfa Aesar™) (66,7 µL/mg). Pt) und Isopropanol (33,3 µL/mg Pt) wurden hergestellt und auf die Lösungsseite der Kathode aufgetragen, wie zuvor berichtet31.

Zn-, Al-, Sn-, Cu- und Ni-Blätter (99 % Reinheit, 0,25 mm Dicke, Alfa Aesar) wurden zu einem Rechteck (3 mm × 50 mm) geschnitten, das als Anode der mikrofluidischen MFCs verwendet wurde. Die Elektroden wurden 3 Minuten lang mit Isopropylethanol getränkt, um organische Rückstände zu entfernen, und dann vor dem Zusammenbau der Zelle sorgfältig mit destilliertem Wasser gewaschen.

Nd-Fe-B-Permanentmagnete (Sorte N42, 50 × 10 × 5 mm) wurden verwendet und positioniert, um ein statisches Magnetfeld zu erzeugen, wie in Abb. 1C beschrieben. Die Auswirkung eines 86-mT-Magnetfelds auf die Gesamtleistung des mikrofluidischen MFC wurde unter Verwendung der ausgewählten metallbasierten Elektrode und S. oneidensis MR-1 untersucht. Es ist zu beachten, dass selbst ein schwaches statisches Magnetfeld, das an E. coli angelegt wird, einen schädlichen Einfluss auf die Lebensfähigkeit von Bakterien haben kann32.

Escherichia coli ATCC-11105 und S. oneidensis MR-1 wurden vom Biochemical and Bioenvironmental Research Center (BBRC) der Sharif University of Technology bezogen. Escherichia coli wurde 24 Stunden lang in Nährbrühe (NB)-Medium (1 g l-1 Rinderextrakt, 2 g l-1 Hefeextrakt, 5 g l-1 Pepton und 5 g l-1 NaCl) bei 37 °C kultiviert . Shewanella oneidensis MR-1 wurde 48 Stunden lang in einem Schüttelinkubator (100 U/min) bei 30 °C in Tryptic Soy Broth (TSB)-Medium (17 g l-1 Trypton, 3 g l-1 Soja, 5 g l-1) kultiviert NaCl, 2,5 g l-1 K2HPO4 und 2,5 g l-1 Glucose). Der mikrobielle Anreicherungsprozess wurde unter offenen Kreislaufbedingungen durchgeführt, um einen gleichmäßigen und homogenen Biofilm zu erreichen33. Die mikrofluidischen MFCs wurden mit einer Spritzenpumpe gestartet, um eine Mischung aus Bakterien und Substraten (z. B. E. coli mit NB und S. oneidensis MR-1 mit TSB) in die hergestellten Zellen zu injizieren.

Angesichts der Tatsache, dass E. coli Elektronen über selbst produzierte Mediatoren (z. B. Cytochrom C) überträgt, ist es offensichtlich, dass eine kontinuierliche Injektion sowohl der Mikrobe als auch des Mediums erforderlich ist, um die Geschwindigkeit der Elektronenproduktion aufrechtzuerhalten. Infolgedessen wurde während des Betriebs der mikrofluidischen MFCs eine Mischung aus E. coli und NB in das System injiziert. Shewanella oneidensis MR-1 überträgt Elektronen über angebrachte, von Bakterien erzeugte Nanodrähte direkt zur Anode. Nach 10 Stunden wurde die Injektion von S. oneidensis MR-1 gestoppt und dem System nur TSB zugeführt.

Das Leerlaufpotential (OCP) erzeugte Leistungs- und Stromdichten, während die elektrochemischen Eigenschaften der Systeme bewertet wurden. Das Zellpotential wurde jede Minute mit einem Multimeter-Datenlogger (PROVA-803) aufgezeichnet. Um die Polarisations- und Leistungsdichtekurven zu erhalten, wurden Außenwiderstände im Bereich von 10 bis 300.000 Ω verwendet. Anschließend wurden unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes die erzeugte Leistung und der erzeugte Strom berechnet und unter Verwendung der projizierten Oberfläche der Luftdiffusionskathode (0,5 cm2) normalisiert.

Um die Fähigkeit der mikrofluidischen MFCs zu demonstrieren, sowohl als Stromgeneratoren als auch als Desinfektionsgeräte in medizinischen und klinischen Anwendungen zu fungieren, wurde der optimierte mikrofluidische MFC zur Stromversorgung von LEDs (rot, weiß, blau und UV) verwendet. Die Leistungsfähigkeit des Systems für die oben genannten Anwendungen wird durch seine Fähigkeit demonstriert, rote, weiße, blaue und UV-LEDs (DGPY-5 mm) mit Strom zu versorgen. Die Nachhaltigkeit der mikrofluidischen MFCs wurde durch die Überwachung des Stromverbrauchs dieser LEDs im Laufe der Zeit ermittelt. Zusätzlich wurde die Lichtintensität aller LEDs mit einem Lichtmessgerät (LX-103, Lutron) bestimmt. Drei UV-LEDs wurden verwendet, um die Desinfektionsfähigkeiten der vorgeschlagenen mikrofluidischen MFCs zu demonstrieren. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts wurde das Potenzial von UV-LEDs für den Einsatz in der medizinischen Hygiene und zur Abtötung pathogener Mikroben erkannt34.

Bedingungen im offenen Kreislauf setzen den Zellen den höchsten äußeren Widerstand auf, was zu einer gleichmäßigen Biofilmmorphologie und ausreichend Zeit für die Substratdiffusion in den Biofilm führt33. Da durch angelegten externen Widerstand die Oxidationsreaktion des organischen Substrats durch Biokatalysatoren vorangetrieben wurde und deutlich mehr Elektronen erzeugt wurden, lief die biologische Abbaureaktion mit der geringsten Antriebskraft ab, die unter Bedingungen eines offenen Kreislaufs möglich war. Dadurch haben die Bakterien ausreichend Zeit, einen gleichmäßigen Biofilm zu bilden. Der gebildete Biofilm wird homogen sein, was einen leichteren Zugang zum Substrat ermöglicht als der heterogene Biofilm, der unter Bedingungen eines geschlossenen Kreislaufs gebildet wird. Die erste Bewertung von Zn, Al, Sn, Cu und Ni erfolgte durch Verfolgung der OCP-Entwicklung von E. coli und S. oneidensis MR-1 unter den gleichen Injektionsbedingungen (0,2 ml h-1 Durchflussrate) und Inokulationszeit ( Abb. 2).

Die Entwicklung des Leerlaufpotentials (OCP) von Zink-, Aluminium-, Zinn-, Kupfer- und Nickel-Anodenelektroden mit (A) Escherichia coli- und (B) Shewanella oneidensis MR-1-Mikroorganismen und reinen Substraten.

Die OCP-Entwicklung von E. coli und S. oneidensis MR-1 in mikrofluidischen MFCs, die unter Verwendung verschiedener Anodenelektroden auf Metallbasis hergestellt wurden, ist in Abb. 2 dargestellt. Die anhaltenden OCP-Werte jeder für E. coli und S. oneidensis MR-1 kultivierten Zelle. 1 wurden nach Größe geordnet. Instabilität in den frühen Stadien der OCP-Evolution in Gegenwart von S. oneidensis MR-1 (Abb. 2B) könnte auf eine Vielzahl von Faktoren zurückzuführen sein, darunter die Wechselwirkung zwischen Substrat und blanker Anodenoberfläche, unvollständige Biofilmbildung und Konkurrenz zwischen ihnen Bakterien gelangen an die Anodenoberfläche und bilden dort den Biofilm35.

Wie in Abb. 2 dargestellt, wurden die maximalen OCPs von 1,32 und 1,39 V für die Zn-Anode in mikrofluidischen MFCs erhalten, die mit E. coli bzw. S. oneidensis MR-1 kultiviert wurden. Zn- und Al-Elektroden weisen in mikrofluidischen MFCs, die mit S. oneidensis MR-1 beimpft sind, einen höheren OCP auf als die meisten kohlenstoffbasierten Elektroden, was auf die Tatsache zurückzuführen sein könnte, dass diese Metalle ein höheres Reduktionsstandardpotential und eine schnellere Ionentransferrate aufweisen des Anolyten als kohlenstoffbasierte Elektroden36. Die Zn-Anode weist den höchsten OCP auf, während die Cu-Anode den niedrigsten aufweist. In mikrofluidischen MFCs mit Zn-Anode könnten zwei Reihen von Redoxreaktionen das OCP der Zelle beeinflussen. Erstens handelt es sich um die mit der Zinkoxidation verbundene Redoxreaktion, bei der Zinkionen als neuer Elektrolyt in das Medium freigesetzt werden. Der zweite Grund ist die Oxidation von organischem Substrat durch Bakterien. Der Einbau von Zinkoxidation könnte ein höheres Potenzial als den maximal möglichen theoretischen Wert von 1,14 V37 erzeugen, und folglich kann der hergestellte mikrofluidische MFC als Hybridsystem betrachtet werden. Typische elektrochemische Reaktionen einer MFC sind die Sauerstoffreduktion an der Kathode und die Acetatoxidation an der Anode38. Mögliche Redoxreaktionen und Halbzellpotentiale sind also wie folgt39,40:

Mikrobielle Brennstoffzelle:

Anode:

Kathode:

Darüber hinaus werden für eine Zn-Luft-Batterie die Redoxreaktionen wie folgt erwähnt41:

Zn-Luft-Batterie:

Anode:

Kathode:

Folglich könnten die Kathodenreaktionen beider Systeme gleich sein und es könnten theoretische Werte von 1,111 bzw. 1,6 V für mikrobielle Brennstoffzellen und Zink-Luft-Batterien erreicht werden. Die OCPs der mikrofluidischen MFCs mit Zinkanode wurden bei 1,32 und 1,39 V erhalten. Im Hinblick auf den Betrieb der Zellen als Hybridsystem kann der hohe Wert von OCP auf das Auftreten der oben genannten Reaktionen zurückgeführt werden. Selbst im Vergleich zu mikrofluidischen Zweikammer-MFCs war der anhaltende OCP des mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode höher als die in den zuvor veröffentlichten Studien erhaltenen OCPs21. Die Zn-Anode zeigt den ersten vielversprechenden Schritt zur Kommerzialisierung mikrofluidischer MFCs.

Eine genauere Untersuchung offenbart auch die Rolle der bemerkenswerten Wechselwirkung zwischen Biokatalysatoren und der Elektrode. Die eingebettete Tabelle in Abb. 2 vergleicht den anhaltenden OCP mikrofluidischer MFCs in Gegenwart und Abwesenheit von Bakterien. Bei der Zn-Anode war der Spannungsunterschied zwischen der mit Bakterien beimpften und der nur mit Medium gefüllten Zelle viel höher als bei anderen Elektroden, was die bedeutende Rolle von Bakterien bei der Erleichterung von Redoxreaktionen verdeutlicht. Um den Anteil jedes Problems an der gesamten Stromerzeugung zu untersuchen, wurde der mikrofluidische MFC mit und ohne Bakterienimpfung betrieben und die maximale Leistung und Stromdichte betrug etwa 166,4 mW m-2 und 4400 mA m-2 ohne Anwesenheit von Bakterien und 14.592 mW m-2 bzw. 118.000 mA m-2 mit Bakterienimpfung. Die erzielten Werte zeigten, dass der Anteil der mit der Zinkoxidation verbundenen Redoxreaktion an der Gesamtstrom- und Leistungsdichte auf etwa 1,14 % bzw. 3,72 % geschätzt werden konnte. Dies zeigt die entscheidende Rolle von Bakterien bei der Oxidation organischer Substrate und den vernachlässigbaren Einfluss der Zinkanodenoxidation auf die erzeugte Bioelektrizität. Darüber hinaus betrug der Innenwiderstand des Systems (als Indikator für die Leitfähigkeit des Anolyten) bei Anwesenheit von Bakterien 50 Ω, während er ohne Bakterienimpfung in den mikrofabrizierten Zellen 2000 Ω betrug. Dieser 40-fache Unterschied zeigt, dass die Gesamtleistung der mikrofluidischen MFC mit Zinkanode hauptsächlich von der Aktivität der Mikroorganismen abhängt.

Im Hinblick auf die entscheidende Rolle der Anodenelektrode bei der Senkung des Aktivierungsüberpotentials und dadurch der Erleichterung von Redoxreaktionen kann die Leistung jeder metallbasierten Elektrode bewertet werden. Darüber hinaus wird die Wirksamkeit jedes Elektronentransfermechanismus demonstriert.

Die Leistungsdichtekurven metallbasierter Elektroden (einschließlich Cu, Sn und Zn) für E. coli und S. oneidensis MR-1 basierend auf unterschiedlichen Substratflussraten sind in Abb. 3 dargestellt. Eine detaillierte Erläuterung anderer metallbasierter Elektroden ist in der Zusatzdatei dargestellt. Mikrofluidische MFCs mit einer Cu-Anode weisen die niedrigsten Leistungs- und Stromdichten auf, während solche mit einer Zn-Anode das höchste Niveau dieser Werte aufweisen. Mikrofluidische MFCs, die mit S. oneidensis MR-1 beimpft sind, schneiden bei Zn-, Al-, Sn- und Ni-Anoden besser ab als solche, die mit E. coli beimpft sind. Abgesehen von ihrer Kompatibilität mit metallbasierten Elektroden weisen direkte Elektronentransfermechanismen einen geringeren Verlust auf als indirekte Elektronentransfers über mobile Elektronenshuttles.

Die Leistungsdichtekurven für die mikrofluidischen MFCs mit verschiedenen Anodenelektroden, die mit Escherichia coli ((A) Cu, (B) Sn und (C) Zn) und Shewanella oneidensis MR-1 ((D) Cu, (E) Sn und ( F) Zn) bei unterschiedlichen Substratinjektionsraten. Die Fehlerbalken stellen die Variation der Leistungs- und Stromdichten bei wiederholten Experimenten dar.

Im Vergleich zu anderen metallbasierten Elektroden und anderen MFCs, die zuvor in der Literatur veröffentlicht wurden (einschließlich Makro- und Mikro-MFCs)14,22, erzeugte die Zn-Anoden-MFC im Einsatz mit S. oneidensis MR-1 die höchsten berichteten Leistungs- und Stromdichten Datum (ca. 14.592 mW m-2 bzw. 118.000 mA m-2). Diese Ergebnisse zeigen eine erfolgreiche Übereinstimmung zwischen direkten Elektronentransfermechanismen und dem Potenzial von Zink als Anode in einem mikrofluidischen MFC. Selbst für Al und Sn des mit S. oneidensis MR-1 beimpften mikrofluidischen MFC sind die erzeugten Leistungsdichten viel höher als bei den kohlenstoffbasierten Elektroden, was auf eine erfolgreiche Kompatibilität von Nanodrähten und metallbasierten Elektroden hinweist.

Die mikrofluidischen MFCs mit Sn-Anode hatten Leistungsdichten von 380 bzw. 781,4 mW m-2, wenn E. coli und S. oneidensis MR-1 verwendet wurden (Abb. 3B und E). Sn weist eine Leistungsdichte von 271 und 242 mW m-2 auf, wenn es als Anode in einem MFC verwendet wird, das mit Geobacter-dominanten Mischkulturen beimpft ist14,18. Die von S. oneidensis MR-1 erhaltene Sn-Leistungsdichte ist mehr als das 2,8-fache der für Geobacter-dominante Mischkulturen angegebenen Leistungsdichte, was darauf hindeutet, dass S. oneidensis MR-1 eine überlegene Biokompatibilität und Elektronenübertragung auf metallbasierte Elektronenakzeptoren aufweist. Darüber hinaus sollten die Vorteile mikrofluidischer MFCs, die die Biostromerzeugung verbessern, nicht übersehen werden.

Wie bei den OCP-Ergebnissen erzeugten die mikrofluidischen MFCs mit der Cu-Anode geringere Leistungs- und Stromdichten als diejenigen mit anderen metallbasierten Elektroden (ca. 57,76 bzw. 64,25 mW m-2). Anti-Biofilm- und antibakterielle Eigenschaften von Cu43 verhindern die Bildung einer wirksamen Elektronen erzeugenden Schicht, was der Hauptgrund für die geringe Stromerzeugung sein könnte. Die Leistung von Cu als Anode in MFCs hat sich als empfindlicher Elektronenakzeptor für den Biokatalysator erwiesen. Maximale Leistungsdichten von 2 und 69 mW m-2 wurden in Cu-Anoden-MFCs erreicht, wenn eine Geobacter-dominante Kultur13 bzw. S. oneidensis MR-144 verwendet wurden. Diese schlechte Leistung wurde auf die Freisetzung toxischer Ionen und Korrosion zurückgeführt45.

Die optimale Durchflussrate in mikrofluidischen MFCs wird durch Stofftransferbedingungen46, Nährstoffbeschaffung für das Biofilmwachstum7,47,48, hydrodynamische Stabilität49 und Bakterienablösung durch Vermeidung übermäßiger Scherspannung in der Nähe der Anodenoberfläche7,46 bestimmt. Im Hinblick auf die Ähnlichkeit der Zellgeometrie in dieser Studie mit dem hergestellten Mikro-MFC in der Arbeit von Mardanpour und Yaghmaei19 wurde der Bereich der Substratflussrate auf der Grundlage der in der genannten Studie gemeldeten Werte bestimmt. Die Flussraten sollten in einem Bereich angepasst werden, um einen kontinuierlichen Fluss im Mikrokanal zu etablieren und einerseits die Austrocknung des Biofilms zu hemmen und andererseits die Ablösung des Biofilms aufgrund der hohen Scherbeanspruchung zu verhindern. Der Unterschied zwischen den optimalen Flussraten für die mikrofluidischen MFCs, die mit verschiedenen Biokatalysatoren (z. B. E. coli und S. oneidensis MR-1) beimpft wurden, weist auf einen bemerkenswerten Effekt der Substratflussrate auf Elektronentransfermechanismen hin. Mit Ausnahme von Cu ist die optimale Flussrate für alle metallbasierten Elektroden in den mikrofluidischen MFCs, die S. oneidensis MR-1 verwenden, niedriger als die für E. coli. Was die Elektronentransfermechanismen für S. oneidensis MR-1 über die an der Anodenoberfläche angebrachten Nanodrähte betrifft, lässt eine niedrigere Flussrate ausreichend Zeit für die Biofilmbildung auf der Elektrode und verhindert die Ablösung des Biofilms und die Belastung des Substratflusses. Andererseits überträgt E. coli Elektronen über selbst produzierte Mediatoren (z. B. Cytochrom c), die als Elektronenshuttles fungieren. Eine höhere Flussrate kann zu einer größeren Anzahl von Shuttles im Mikrokanal führen, um extrahierte Elektronen von der Bakterienmembran zu übertragen.

Das Phänomen des Überschwingens ist ein weiteres Merkmal, das in einer Leistungsdichtekurve beobachtet werden kann. Wenn der äußere Widerstand abnimmt, steigt die Menge des erzeugten Stroms und der Bedarf an Elektronen. Wenn Bakterien nicht über Redoxreaktionen die benötigten Elektronen liefern können, kommt es zu einem abrupten Abfall von Strom und Leistung, dem so genannten Overshoot-Phänomen50. Eine Erhöhung der Substratflussrate kann die verringerte Stromdichte ausgleichen, Mikroorganismen mit zusätzlichen Nährstoffen versorgen und ihre Stoffwechselrate bei der Elektronenproduktion beschleunigen. Daher kann es zu einem Überschwingen kommen, wenn die Durchflussrate unter der optimalen Durchflussrate für die Fütterung von Mikroorganismen liegt. Darüber hinaus kann bei höheren Flussraten die unzureichende Zeit für Bakterien und Cytochrom-c-Moleküle, die Elektrodenoberfläche zu erreichen19, ein weiterer Faktor sein, der zum Überschwingungsphänomen beiträgt. In Anbetracht der Leistungsdichtekurven tritt bei keinem der mit S. oneidensis MR-1 beimpften mikrofluidischen MFCs das Überschwingungsphänomen auf. Im Gegenteil, dieses Problem wurde in Leistungsdichtekurven von Cu, Ni und Zn beobachtet, die mit E. coli bei Flussraten von 0,3, 3 bzw. 2 ml h-1 beimpft wurden.

Polarisationskurven können verwendet werden, um den Einfluss des Elektrodentyps und der Elektronentransfermechanismen auf die Überpotentiale der Systeme zu bewerten. Der erste, der mittlere und der letzte Teil einer Polarisationskurve können zur Bestimmung der Aktivierungs-, Ohmschen und Konzentrationsüberspannungen verwendet werden51. Die Polarisationskurven verschiedener metallbasierter Elektroden für zwei Arten mit unterschiedlichen Elektronentransfermechanismen sind in Abb. 4 dargestellt. Die Steigung des Anfangsabschnitts der Polarisationskurve, dargestellt durch die gestrichelte Ellipse, gibt die Reihenfolge des Aktivierungsüberpotentials an. Wie zu sehen ist, ist die Steigung der Polarisationskurven von S. oneidensis MR-1 (Abb. 4B) geringer als die von mit E. coli inokulierten mikrofluidischen MFCs (Abb. 4A), was darauf hinweist, dass S. oneidensis MR-1 weniger benötigt Aktivierungsenergie, um Elektronen aus der Substratoxidation zu extrahieren, als E. coli. Die Stoffwechselwege in S. oneidensis MR-1 sind möglicherweise effizienter als die in E. coli. Darüber hinaus hat Zn aufgrund des geringeren Energieverlusts während der Redoxreaktion eine geringere Steigung als alle anderen Spezies, was möglicherweise für ein geringeres Standardreduktionspotential von Bakterien und eine erhöhte Biokompatibilität mit Zn-Anoden verantwortlich ist. Obwohl Al eine stärker reduzierende Spezies als Zn ist, könnte die Biokompatibilität von Zn einen größeren Einfluss auf die Leistung mikrofluidischer MFCs haben. Sn, Ni und Cu haben eine größere Steigung und passen sich ihren jeweiligen Positionen in der Tabelle der Standardreduktionspotentiale an.

Der Vergleich von Aktivierungs- und ohmschen Überpotentialen verschiedener Elektroden und Elektronentransfermechanismen der verwendeten Biokatalysatoren anhand von Polarisationskurven. (A) Escherichia coli, (B) Shewanella oneidensis MR-1, (C) Zn und Sn, (D) Al und Sn, (E) Sn und Cu, (F) Sn und Ni. Die Fehlerbalken stellen die Variation der Leistungs- und Stromdichten bei wiederholten Experimenten dar.

Den Polarisationskurven in Abb. 4A zufolge wurde kein signifikanter Unterschied im Aktivierungsüberpotential für die Sn-, Ni- und Cu-Anoden der mikrofluidischen MFCs unter Verwendung von E. coli als Biokatalysator beobachtet. Andererseits ist der signifikante Unterschied in der Steigung der Polarisationskurven in der Anfangszone von Abb. 4B sichtbar. Wenn S. oneidensis MR-1 inokuliert wird, weisen Sn und Ni ein geringeres Aktivierungsüberpotential als Cu auf, was die entscheidende Rolle der Anodenoberflächen-Nanodrähte bei der Reduzierung des Aktivierungsüberpotentials unterstreicht.

Bezüglich der ohmschen Überpotentiale mikrofluidischer MFCs, die über die mittlere Zone der Polarisationskurve bestimmt werden können, lassen sich einige Spekulationen über die Vorherrschaft von Elektronentransfermechanismen anstellen. Die Polarisationskurven metallbasierter Elektroden, die von verschiedenen Mikrobenarten verwendet werden, sind in Abb. 4C–F dargestellt. Die von Sn erzeugte Leistung ist höher als die von Cu und Ni, während sie niedriger als die von Zn und Al ist. Dies macht Sn zu einem hervorragenden Kandidaten für die Verwendung als Referenz und zum Vergleich der elektrischen Eigenschaften der anderen Elektroden. Daher werden die Polarisationskurven jeder metallbasierten Elektrode neben der Sn-Polarisationskurve als Referenz angezeigt, um den Vergleich perfekt zu machen. Wie in Abb. 4C dargestellt, ist die Steigung der Kurve in der mittleren Zone (enthalten in einer gestrichelten Ellipse) von S. oneidensis MR-1 im mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode geringer als bei E. coli, was auch für Al gilt und Sn. Da das ohmsche Überpotential ein Maß für die Leitfähigkeit des Anolyten und die Abgabe von Elektronen an Elektronenakzeptoren ist, weist es darauf hin, dass Nanodrähte zur Abgabe von Elektronen weniger Energie benötigen als mobile Elektronenshuttles. Die exoelektrogenen Mikroben, die Elektronen direkt über Nanodrähte übertragen (wie S. oneidensis MR-1), können als Alternative zu E. coli eingeführt werden, die Elektronen über selbst produzierte Mediatoren übertragen52. Dieser Ersatz bei der Inokulation mikrofluidischer MFCs verbesserte die Zellleistung und deren Effizienz deutlich. Ein Vergleich der Ergebnisse früherer Studien3,19,53 zeigte die überlegene Leistung von S. oneidensis MR-1 gegenüber E. coli, selbst wenn die Anodenoberfläche mit Nanopartikeln angereichert wurde, um die Stromerzeugung zu verbessern 15. In Bezug auf die Anolytleitfähigkeit wurde dies nachgewiesen dass Nanodrähte Elektronen über große Entfernungen transportieren und somit die Leitfähigkeit des Biofilms erhöhen können54. So kann selbst ein dicker Biofilm mit einem Netzwerk aus Nanodrähten zu einem geringeren inneren elektrischen Widerstand führen als mobile Elektronenshuttles. Zukünftige Forschungen zur Berechnung elektrischer Felder bei beiden Arten von Elektronentransferprozessen könnten sich in diesem Bereich als äußerst nützlich erweisen.

Das ohmsche Überpotential der mikrofluidischen MFCs mit Cu- und Ni-Anoden zeigte keinen signifikanten Unterschied (Abb. 4E, F). Der Unterschied in den Elektronentransfermechanismen hatte keinen erkennbaren Einfluss auf die Leistung dieser Zellen, was möglicherweise auf die geringe Neigung von Cu zur Biofilmanlagerung zurückzuführen ist und der S. oneidensis MR-1-Biofilm keine einzigartige Rolle bei der Elektronenleitung spielen kann. Somit können die suspendierten Mikroben in erster Linie zum Elektronentransfer beitragen, und es wird kein signifikanter Unterschied beobachtet, wenn S. oneidensis MR-1 oder E. coli zum mikrofluidischen MFC mit Cu-Anode hinzugefügt werden. Die Rasterelektronenmikroskopbilder lieferten zusätzliche Beweise für den zuvor genannten Grund für die Bildung von Biofilmen mit Cu-Abneigung. Im Fall von Ni sind weitere Untersuchungen erforderlich, um ohmsche Überpotentiale basierend auf Elektronentransfermechanismen zu klären, zu bewerten und zu vergleichen.

Abbildung 5 veranschaulicht die Auswirkung der Anwendung eines statischen Magnetfelds von 86 mT auf die Leistungsdichtekurve von Elektroden auf Metallbasis. Es ist zu beachten, dass die hergestellten Zellen fast zehn Tage lang betrieben und in diesem Zeitraum kontinuierlich dem statischen Magnetfeld ausgesetzt wurden. Wie man sehen kann, ist die erzeugte Leistung der anderen mikrofluidischen MFCs mit Ausnahme des mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode deutlich zurückgegangen. Darüber hinaus kam es bei jedem von ihnen zu Schwankungen (gekennzeichnet durch einen gestrichelten Kreis). Dieser abrupte Rückgang ist bei Cu-, Al- und Zn-Anoden gering, bei Ni und Sn jedoch dramatisch. Durch Anlegen eines statischen Magnetfelds wurde die erzeugte Leistung von Cu, Ni, Sn und Al um 22 %, 27 %, 13 % bzw. 66 % reduziert. Bei Zn hingegen erhöhte dieses Magnetfeld die Leistungsdichte um mehr als das 2,4-fache. Obwohl es schwierig ist, diese komplexe Variation einem einzelnen Parameter zuzuordnen, scheinen die magnetischen Eigenschaften von Anoden und die Stoffwechseleigenschaften von S. oneidensis MR-1 wichtiger zu sein als andere Variablen.

Die Auswirkung des statischen Magnetfelds auf die Leistung der metallbasierten Elektroden der mikrofluidischen MFCs im Zusammenhang mit Shewanella oneidensis MR-1 bei optimierten Substratflussraten (Tabelle S1 in der Zusatzdatei). Die Fehlerbalken stellen die Variation der Leistungs- und Stromdichten bei wiederholten Experimenten dar.

Was die magnetischen Eigenschaften metallbasierter Anoden betrifft, so sind Zn und Cu diamagnetisch, Al und Sn paramagnetisch und Ni ferromagnetisch55. Der merkliche Anstieg der Leistungsdichte der Zn-Anode kann nicht allein auf ihre magnetischen Eigenschaften zurückgeführt werden, da die Cu-Anode nicht das gleiche Verhalten zeigte. Darüber hinaus zeigten Al- und Sn-Anoden nicht die gleiche Abnahme, wenn ein statisches Magnetfeld angelegt wurde. Nach Kenntnis der Autoren wurde keine Studie durchgeführt, um die Variation der Stoffwechselreaktionen von S. oneidensis MR-1 zu untersuchen, wenn ein statisches Magnetfeld angelegt wird. Zukünftige Forschung wird sich auf die Entschlüsselung dieses Themas und den Einfluss der statischen Magnetfeldstärke auf die Leistung mikrofluidischer MFCs konzentrieren.

Tabelle S1 in der Zusatzdatei fasst die wichtigsten Punkte der in den vorherigen Abbildungen diskutierten elektrochemischen Analyse zusammen. Wenn S. oneidensis MR-1 anstelle von E. coli verwendet wurde, erzeugten Zn, Al, Sn und Ni fast die doppelte Leistungsdichte, was darauf hindeutet, dass der direkte Elektronentransfermechanismus Vorrang vor dem mediatorbasierten Elektronentransfermechanismus hat. Die für alle Elektroden der mikrofluidischen MFCs berechneten Innenwiderstandswerte deuten fast auf einen abnehmenden Trend bei der MR-1-Nutzung von S. oneidensis gegenüber E. coli hin. Mit Ausnahme der Kupferanode ist die optimale Flussrate in mikrofluidischen MFCs, die mit S. oneidensis MR-1 beimpft wurden, niedriger als bei mit E. coli beimpften. Im Fall von S. oneidensis MR-1 erfordert die Möglichkeit einer Bakterienablösung eine Verringerung der Flussraten, wohingegen die Erleichterung des Elektronentransports in den verwendeten E. coli-Zellen eine Erhöhung der Flussraten erfordert.

Wenn ein statisches Magnetfeld angelegt wird, verhält sich die Zn-Anode anders als andere Anoden auf Metallbasis. Es ist nicht einfach, die Gründe für die komplexen Variationen in den Polarisationstrends metallbasierter Elektroden zu interpretieren. Im Allgemeinen wirkt sich ein statisches Magnetfeld nachteilig auf die Stromerzeugung mikrofluidischer MFCs aus, mit Ausnahme von mikrofluidischen MFCs mit Zn-Anode.

Abbildung 6 zeigt Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) der Anoden und Kathoden mikrofluidischer MFCs, die mit E. coli und S. oneidensis MR-1 beimpft sind. Die hochauflösenden REM-Bilder werden in der Zusatzdatei dargestellt. Die Bilder sind von der höchsten (z. B. Zn) zur niedrigsten (z. B. Cu) Leistungsdichte geordnet. Das letzte Bild jeder Serie zeigt Biofilm auf der Kohlenstoffgewebekathode. Auf der Kathodenoberfläche haben sowohl S. oneidensis MR-1 als auch E. coli dichte Biofilme gebildet. Unabhängig vom Anodentyp haften beide Arten eher an der Kathodenoberfläche als an den Anodenelektroden. Ahmed und Kim zeigten, dass kathodischer Biofilm die erzeugte Energie um bis zu 20 % reduzieren kann56. Daher wurden neuartige Kathodenkatalysatoren mit antibakterieller Aktivität entwickelt, um die Bildung von Biofilmen auf der Kathodenoberfläche zu hemmen und die Erzeugung von Biostrom zu verbessern57,58.

Rasterelektronenmikroskopische (REM) Bilder des (A) Escherichia coli- und (B) Shewanella oneidensis MR-1-Biofilms auf den Anoden- und Kathodenoberflächenbereichen der mikrofluidischen MFCs. Die zugehörigen Informationen jedes REM-Bildes wurden charakterisiert.

Wie in der ersten Teilabbildung von Abb. 6A dargestellt, ist die Bildung von Biofilmen auf der Zn-Anodenoberfläche ungewöhnlich. Genauer gesagt kann man sagen, dass kein einzelnes Bakterium oder keine Bakteriengruppe ein klares Bild hat. Andererseits ist das natürlich vorkommende Zinkoxid-Nanopartikel leicht zu identifizieren. Auch wenn die mikrofluidische MFC mit Zn-Anode die höchste Leistungsdichte aufweist, ist es offensichtlich, dass suspendierte E. coli eine entscheidende Rolle bei der Stromerzeugung spielen können. Zwischen Al und Cu stieg die Anzahl der an der Anodenoberfläche anhaftenden Bakterien dramatisch an. Gleichzeitig sind die Oberflächen von Al- und Sn-Anoden mit spärlichen Gruppen und einzelnen Bakterien bedeckt, während die Oberflächen von Ni- und Cu-Anoden mit dichten Gruppen von Bakterien bedeckt sind. Was die Elektronentransfermechanismen von E. coli über Cytochrom c59 betrifft, kann das Vorhandensein eines dichten Biofilms als Barriere für die Abgabe des montierten Elektrons an die Anode wirken.

Neben der entscheidenden Rolle des Standardelektrodenpotentials der verwendeten metallbasierten Elektroden scheint es die Stromerzeugung der mit E. coli beimpften mikrofluidischen MFCs zu erhöhen; Es soll einerseits das Wachstum suspendierter Bakterien und den Elektronentransport fördern und andererseits Barrieren für Elektronenakzeptoren beseitigen. Die Rolle von Nanopartikeln bei der Verhinderung der Bildung eines dicken Biofilms auf der Elektrodenoberfläche kann als Lösung angesehen werden, da dies ein Grund sein kann, die Bildung eines Biofilms auf der Zn-Anodenoberfläche zu vermeiden. Es wurde gezeigt, dass durch die Beschichtung der Ni-Oberfläche des mikrofluidischen MFC mit Ni-Nanopartikeln die Leistungsdichte um mehr als 30 % erhöht werden kann15. Die erste Möglichkeit besteht darin, dass dies auf eine Vergrößerung der Anodenoberfläche zurückzuführen ist. Eine andere Studie ergab jedoch, dass die Verwendung von Zn-Nanopartikeln auf der Zn-Anodenoberfläche zur Vergrößerung der verfügbaren Oberfläche für den S. oneidensis MR-1-Biofilm die erzeugte Leistungsdichte des mikrofluidischen MFC60 nicht erhöhte. Das Vorhandensein von Nanopartikeln kann die Anhaftung von Bakterien an der Anodenoberfläche verringern. Zukünftige Forschung könnte sich auf die Wirkung von Nanopartikeln auf die Bildung von Biofilmen durch verschiedene Arten von Mikroorganismen konzentrieren.

Um die Oberflächenmorphologien der metallbasierten Anoden zu charakterisieren, wurden REM-Bilder der gebrauchten Anoden nach dem Entfernen ihres Biofilms aufgenommen und mit den frischen verglichen (Ergänzungsdatei). Al- und Ni-Bilder zeigten nach zehn Tagen Betrieb keine erkennbare Veränderung. Teilweise sind auf der Sn-Oberfläche lokale Hohlräume zu erkennen, die als Lochfraß bezeichnet werden61. Die natürlichen Nanostrukturen waren im Zn-Fall auf der Oberfläche der frischen und gewaschenen Anoden vorhanden. Außerdem wurden nach dem Waschen des Biofilms einige leichte Risse an der Zn-Anode beobachtet, die als geringfügige Korrosion angesehen werden könnten. Um die Auswirkung der Anodenkorrosion auf die Leistung von MFCs zu beurteilen, untersuchten Yamashita und Yokoyama 350 Tage lang verschiedene Metalle als Anode von MFCs und berichteten, dass Anoden auf Metallbasis eine stabile Stromdichte erzeugen könnten. Sie zeigten auch, dass eine bestimmte Korrosionsrate die erzeugte Stromdichte erheblich verringern kann14. In der vorliegenden Studie wurde während des Betriebs keine Verringerung der erzeugten Bioelektrizität beobachtet, was auf ein vernachlässigbares Ausmaß und eine vernachlässigbare Korrosionsrate hinweist.

Die Cu-Anode des mit S. oneidensis MR-1 beimpften mikrofluidischen MFC erfuhr Korrosion und eine signifikante Veränderung der Rauheit der Oberfläche ist kristallklar. Andererseits zeigte die mikrofluidische MFC, die E. coli als Biokatalysator rekrutierte, keine bemerkenswerte Variation auf der Oberfläche der Cu-Anode. Dies könnte mit dem Problem zusammenhängen, dass der gebildete Biofilm von E. coli auf der Cu-Anode eine Rolle als schützende Deckschicht spielte, die die Korrosion der freiliegenden Cu-Oberfläche gegenüber dem Anolyten des Systems verhinderte. Im Gegenteil, auf der mit S. oneidensis MR-1 inokulierten Anode kann eine vernachlässigbare Anzahl von Bakterien beobachtet werden. Die Korrosion der Cu-Anode während des Betriebs von MFC wurde in der Arbeit von Zhu und Logan45 erklärt. Außerdem haben Baudler et al. demonstrierten die Stabilität von Cu als Anode des MFC und seine Korrosionsbeständigkeit13. Dies könnte die Spekulation verstärken, dass ein Biofilm eines bestimmten Mikroorganismus eine schützende Rolle gegen Korrosion spielen könnte. In der vorliegenden Studie könnte E. coli zur Aufrechterhaltung der Cu-Anode des mikrofluidischen MFC beitragen.

REM-Bilder von S. oneidensis MR-1-Biofilmen auf mikrofluidischen MFCs, die mit verschiedenen Anoden hergestellt wurden, sind ebenfalls in Abb. 6B dargestellt. Weiße gestrichelte Ellipsen zeigten den gebildeten Biofilm auf dem mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode an. Die Anzahl der Bakterien, die den Biofilm bildeten, nahm ab, als Cu Al ersetzte. Mit anderen Worten: Al unterstützt einen dichteren Biofilm als Sn und Sn unterstützt einen dichteren und kompakteren Biofilm als Ni. Die an der Cu-Oberfläche haftenden Bakterien sind spärlich und aggregierten nicht. Die REM-Bilder in Abb. 6 zeigen einen Zusammenhang zwischen der Häufigkeit der gebildeten S. oneidensis MR-1-Biofilme und der Steigerung der Leistungsdichte. Mikrofluidische MFCs mit dichten Biofilmen erreichen eine höhere Leistungsdichte als solche mit spärlich angelagerten Mikroben an der Anode.

Im Gegensatz zu den mit E. coli inokulierten mikrofluidischen MFCs könnte ein Vergleich darauf hindeuten, dass die besiedelten anhaftenden Bakterien als Zeichen einer erhöhten Stromerzeugung in mit S. oneidensis MR-1 inokulierten mikrofluidischen MFCs angesehen werden können. Es ist glasklar, dass der auf Nanodrähten basierende direkte Elektronentransfermechanismus den Elektronentransport über ein komplexes Netzwerk miteinander verbundener Nanodrähte ermöglicht. Das könnte erklären, warum ein dichterer und dickerer S. oneidensis MR-1-Biofilm eine höhere Leistungsdichte erzeugen kann. Es ist zu beachten, dass zukünftige Arbeiten REM-Bilder von S. oneidensis MR-1 umfassen werden, die einem statischen Magnetfeld ausgesetzt sind.

Die mikrofluidischen MFCs wurden insgesamt hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Leuchtdioden (LEDs) mit Strom zu versorgen, und im Vergleich zu zuvor veröffentlichten Untersuchungen zu mikrofluidischen MFCs bewertet. Drei mikrofluidische MFCs mit Zn-Anode werden in Reihe geschaltet, um 4,1 V zu erzeugen und rote, blaue, weiße und ultraviolette LEDs mit Strom zu versorgen, um die Fähigkeit mikrofluidischer MFCs zu demonstrieren, LEDs ohne externes Magnetfeld mit Strom zu versorgen. Abbildung 7 zeigt die beleuchteten LEDs, ihre Leistungsentwicklung und den für jede LED erforderlichen Strom. Zusätzlich wurde die erzeugte Lichtintensität mit dem Lichtmesser gemessen und protokolliert. Die weißen LEDs erzeugen deutlich mehr Lichtintensität, wie in der Abbildung dargestellt. Da rote LEDs mehr Energie verbrauchen als andere LED-Typen, ist die Leistungsentwicklung roter LEDs in Abb. 7 dargestellt. Trotz einer anfänglichen Leistungsreduzierung ist ein konsistenter Trend in der Leistungsentwicklung erkennbar. Um die Nachhaltigkeit mikrofluidischer MFCs zu bewerten, die rote LEDs mit Strom versorgen, wurde die Spritzenpumpe gestoppt und nach fast 1,75 Stunden sank die Lichtintensität von 2 auf 1 Lux. Nach 2,5 Stunden wurden die LEDs ausgeschaltet. Ein weiteres Merkmal dieses Systems ist die Möglichkeit, drei LEDs über mikrofluidische MFCs mit nur 150 μl des Substrats mehr als zwei Stunden lang mit Strom zu versorgen.

Die Leistung des mit Shewanella oneidensis MR-1 beimpften mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode zur Stromversorgung von LEDs.

Abbildung 8 zeigt die mikrofluidische MFC-Leistung im Vergleich zu den Ergebnissen zuvor veröffentlichter Studien. Die zugehörigen Studien sind (in Tabelle S2 der Zusatzdatei und Abb. 8) auf der Grundlage der maximalen Leistung und Stromdichten angeordnet. Wie zu sehen ist, wurde die erzeugte Leistungsdichte der mikrofluidischen MFC durch die Auswahl einer geeigneten Anodenelektrode, die Einstellung eines geeigneten Elektronentransfermechanismus und die Anwendung eines statischen Magnetfelds erheblich verbessert.

Die Leistung des mit Shewanella oneidensis MR-1 beimpften mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode im Vergleich zu zuvor veröffentlichten Arbeiten.

Das hergestellte mikrofluidische MFC erfordert keine komplexen biologischen Techniken für eine perfekte Inokulation oder langwierige Synthesemethoden zur Förderung von Elektroden. Der Vorgang wurde in einem herkömmlichen Labor durchgeführt, ohne dass Reinraumbedingungen erforderlich waren. Die Produktionskosten des hergestellten mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode, der mit S. oneidensis MR-1 beimpft und von Nd-Fe-B-Permanentmagneten getragen wird, betragen weniger als 1,1 US-Dollar. Dies ist ein weiteres außergewöhnliches Merkmal des Systems zur Beschleunigung der Vermarktung mikrofluidischer MFCs für klinische und medizinische Anwendungen.

Drei einfache und kostengünstige Methoden wurden verwendet, um die Biostromerzeugung mikrofluidischer MFCs zu verbessern, was zu der bislang höchsten Leistung und Stromdichte führte. Hinsichtlich der elektrochemischen Eigenschaften weisen die mit metallbasierten Elektroden hergestellten mikrofluidischen MFCs die folgenden Eigenschaften auf:

Mit S. oneidensis MR-1 beimpfte mikrofluidische MFCs weisen eine höhere Leistung und Stromdichte auf als mit E. coli beimpfte, was eine bessere Übereinstimmung zwischen direkten Elektronentransfermechanismen und dem Potenzial metallbasierter Anoden impliziert.

Shewanella oneidensis MR-1 benötigt weniger Aktivierungsenergie, um Elektronen aus der Substratoxidation zu extrahieren als E. coli, was darauf hindeutet, dass die Stoffwechselwege von S. oneidensis MR-1 möglicherweise reibungsloser ablaufen als die von E. coli und im Vergleich zu mobilen Elektronenshuttles weniger Nanodrähte verloren gehen .

Um die Stromerzeugung der mit E. coli inokulierten mikrofluidischen MFCs zu steigern, ist es notwendig, einerseits das Wachstum der suspendierten Bakterien und deren Elektronentransport zu verstärken und andererseits die Barrieren zu den Elektronenakzeptoren zu beseitigen. Die Ausfällung von Nanopartikeln kann bei der Lösung des Problems von entscheidender Bedeutung sein.

Im Gegensatz zu mit E. coli inokulierten Zellen besteht ein Zusammenhang zwischen der Menge des gebildeten S. oneidensis MR-1-Biofilms und der Zunahme der Leistungsdichte. Die mikrofluidischen MFCs mit dichten Biofilmen erreichen eine höhere Leistungsdichte als solche mit spärlich angelagerten Mikroben an der Anode.

Mit Ausnahme des mikrofluidischen MFC mit Zn-Anode (2,4-fache Steigerung) wirkt sich die Anwendung eines statischen Magnetfelds nachteilig auf die Stromerzeugung der mikrofluidischen MFC aus.

Die Untersuchung der Topographie von Biofilmen mithilfe verschiedener Magnetfelder und die Entschlüsselung der abrupten Variation, die durch Anlegen eines statischen Magnetfelds auftritt, können künftige Forschungsthemen sein.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Parkhey, P. & Sahu, R. Mikrofluidische mikrobielle Brennstoffzellen: Aktuelle Fortschritte und Zukunftsaussichten. Int. J. Hydrogen Energy 46, 3105–3123 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Xiao, N., Selvaganapathy, PR, Wu, R. & Huang, JJ Einfluss der mikrobiellen Gemeinschaft im Abwasser auf die Leistung miniaturisierter mikrobieller Brennstoffzellen-Biosensoren. Biores. Technol. 302, 122777 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Fadakar, A., Mardanpour, MM & Yaghmaei, S. Die gekoppelte mikrofluidische mikrobielle elektrochemische Zelle als autarker Biowasserstoffgenerator. J. Power Sour. 451, 227817 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Eine dreidimensionale Origami-basierte Immuno-Biobrennstoffzelle für energieautarke, kostengünstige und empfindliche Point-of-Care-Tests. Chem. Komm. 50, 1947–1949 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Ryu, J., Gao, Y., Cho, JH & Choi, S. Horizontal strukturierte mikrobielle Brennstoffzellen in Garnen und gewebten Stoffen für die tragbare Bioenergiegewinnung. J. Power Sour. 484, 229271 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Dong, K. et al. Mikrobielle Brennstoffzelle als Stromversorgung für implantierbare medizinische Geräte: Ein neuartiges Konfigurationsdesign zur Simulation der Dickdarmumgebung. Biosens. Bioelektron. 41, 916–919 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ye, D. et al. In-situ-Visualisierung der Biofilmbildung in einem Mikrokanal für eine mikrofluidische mikrobielle Brennstoffzellenanode. Int. J. Hydrogen Energy 46(27), 14651–14658 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Jung, SP & Pandit, S. in Microbial Electrochemical Technology 377–406 (Elsevier, 2019).

Cao, Y. et al. Elektrizität in der Anode mikrobieller Brennstoffzellen: Reinkulturen versus gemischte Gemeinschaften. Mikrob. Zellfakt. 18, 1–14 (2019).

Artikel Google Scholar

Mateo, S., Mascia, M., Fernandez-Morales, FJ, Rodrigo, MA und Di Lorenzo, M. Bewertung des Einflusses von Designfaktoren auf die Leistung von zwei mikrobiellen Miniaturbrennstoffzellen. Elektrochim. Acta 297, 297–306 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

ElMekawy, A., Hegab, HM, Dominguez-Benetton, X. & Pant, D. Innenwiderstand mikrofluidischer mikrobieller Brennstoffzellen: Herausforderungen und potenzielle Chancen. Biores. Technol. 142, 672–682 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Li, S., Cheng, C. & Thomas, A. Kohlenstoffbasierte mikrobielle Brennstoffzellenelektroden: von leitfähigen Trägern bis zu aktiven Katalysatoren. Adv. Mater. 29, 1602547 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Baudler, A., Schmidt, I., Langner, M., Greiner, A. & Schröder, U. Muss es Kohlenstoff sein? Metallanoden in mikrobiellen Brennstoffzellen und verwandten bioelektrochemischen Systemen. Energieumwelt. Wissenschaft. 8, 2048–2055 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Yamashita, T. & Yokoyama, H. Molybdänanode: eine neuartige Elektrode für eine verbesserte Stromerzeugung in mikrobiellen Brennstoffzellen, identifiziert durch umfangreiches Screening von Metallelektroden. Biotechnologie. Biokraftstoffe 11, 1–13 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Mousavi, MR et al. Verbesserung der mikrofluidischen mikrobiellen Brennstoffzelle unter Verwendung einer nanostrukturierten Nickelelektrode und Mikrokanalmodifikationen. J. Power Sour. 437, 226891 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Ma, J., Shi, N. & Jia, J. Fe3O4-Nanokugeln dekorierten reduziertes Graphenoxid als Anode, um die Effizienz des extrazellulären Elektronentransfers und die Leistungsdichte in mikrobiellen Brennstoffzellen zu fördern. Elektrochim. Acta 362, 137126 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, S., Patil, SA, Brown, RK & Schröder, U. Strategien zur Optimierung der Leistungsabgabe mikrobieller Brennstoffzellen: Übergang von Grundlagenstudien zur praktischen Umsetzung. Appl. Energie 233, 15–28 (2019).

Artikel Google Scholar

Taskan, E. & Hasar, H. Umfassender Vergleich eines neuen zinnbeschichteten Kupfernetzes und einer Graphitplattenelektrode als Anodenmaterial in mikrobiellen Brennstoffzellen. Appl. Biochem. Biotechnologie. 175, 2300–2308 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Mardanpour, MM & Yaghmaei, S. Charakterisierung einer mikrofluidischen mikrobiellen Brennstoffzelle als Stromgenerator auf Basis einer Nickelelektrode. Biosens. Bioelektron. 79, 327–333 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Choi, S. et al. Eine mikrobearbeitete mikrobielle Brennstoffzelle im μL-Maßstab mit hoher Leistungsdichte. Lab Chip 11, 1110–1117 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jiang, H., Ali, MA, Xu, Z., Halverson, LJ & Dong, L. Integrierte mikrofluidische mikrobielle Durchfluss-Brennstoffzellen. Wissenschaft. Rep. 7, 1–12 (2017).

CAS Google Scholar

Ren, H., Tian, H., Gardner, CL, Ren, T.-L. & Chae, J. Eine miniaturisierte mikrobielle Brennstoffzelle mit dreidimensionaler makroporöser Graphen-Gerüstanode, die eine Rekordleistungsdichte von über 10000 W m− 3 aufweist. Nanoscale 8, 3539–3547 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Rahimnejad, M., Najafpour, G., Ghoreyshi, A., Shakeri, M. & Zare, H. Methylenblau als Elektronenpromotoren in mikrobiellen Brennstoffzellen. Int. J. Hydrogen Energy 36, 13335–13341 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Kouzuma, A., Oba, H., Tajima, N., Hashimoto, K. & Watanabe, K. Elektrochemische Selektion und Charakterisierung einer Hochstrom-erzeugenden Shewanella oneidensis-Mutante mit veränderter Zelloberflächenmorphologie und biofilmbezogener Genexpression. BMC Mikrobiol. 14, 1–11 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Kouzuma, A., Meng, in mikrobiellen Brennstoffzellen. Appl. Umgebung. Mikrobiol. 76, 4151–4157 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, T. et al. Ein verbesserter Shewanella-Biofilm fördert die Erzeugung von Biostrom. Biotechnologie. Bioeng. 112, 2051–2059 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yin, Y., Huang, G., Tong, Y., Liu, Y. & Zhang, L. Stromerzeugung und elektrochemische Impedanzmodellierung mikrobieller Brennstoffzellen unter statischem Magnetfeld. J. Power Sour. 237, 58–63 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Choi, C.-H. et al. Leistung einer mikrobiellen Brennstoffzelle mit einer an einem Magneten befestigten Kathode. Stier. Koreanische Chem. Soc. 31, 1729–1731 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Moore, RL Biologische Wirkungen von Magnetfeldern: Studien mit Mikroorganismen. Dürfen. J. Mikrobiol. 25, 1145–1151 (1979).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Niu, C. et al. Die verstärkende Wirkung eines statischen Magnetfelds auf die Belebtschlammaktivität bei niedriger Temperatur. Biores. Technol. 150, 156–162 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Cheng, S., Liu, H. & Logan, BE Erhöhte Leistung von mikrobiellen Einkammer-Brennstoffzellen durch eine verbesserte Kathodenstruktur. Elektrochem. Komm. 8, 489–494 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Ji, W., Huang, H., Deng, A. & Pan, C. Auswirkungen statischer Magnetfelder auf Escherichia coli. Mikron 40, 894–898 (2009).

Artikel PubMed Google Scholar

Zhang, L., Zhu, X., Li, J., Liao, Q. & Ye, D. Biofilmbildung und Stromerzeugung einer mikrobiellen Brennstoffzelle starteten unter verschiedenen äußeren Widerständen. J. Power Sources 196, 6029–6035 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Cheng, Y. et al. Inaktivierung von Listerien und E. coli durch Deep-UV-LED: Einfluss der Substratbedingungen auf die Inaktivierungskinetik. Wissenschaft. Rep. 10, 1–14 (2020).

CAS Google Scholar

Naraghi, ZG, Yaghmaei, S., Mardanpour, MM & Hasany, M. produzierten Wasseraufbereitung mit gleichzeitiger Bioenergieproduktion unter Verwendung neuartiger bioelektrochemischer Systeme. Elektrochim. Acta 180, 535–544 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Zhou, M., Chi, M., Luo, J., He, H. & Jin, T. Ein Überblick über Elektrodenmaterialien in mikrobiellen Brennstoffzellen. J. Power Sources 196, 4427–4435 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Pasupuleti, SB, Srikanth, S., Dominguez-Benetton, Kinetische Auswertung. J. Chem. Technol. Biotechnologie. 91, 624–639 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Mardanpour, MM, Saadatmand, M. & Yaghmaei, S. Interpretation der elektrochemischen Reaktion eines Multipopulations-Biofilms in einer mikrofluidischen mikrobiellen Brennstoffzelle unter Verwendung eines umfassenden Modells. Bioelektrochemie 128, 39–48 (2019).

Artikel PubMed Google Scholar

Rossi, R. et al. Die Auswertung von Widerständen auf Elektroden- und Lösungsflächenbasis ermöglicht quantitative Vergleiche von Faktoren, die die Leistung mikrobieller Brennstoffzellen beeinflussen. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 53, 3977–3986 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Popat, SC, Ki, D., Rittmann, BE & Torres, CI Bedeutung des OH−-Transports von Kathoden in mikrobiellen Brennstoffzellen. Chemsuschem 5, 1071–1079 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Siahrostami, S. et al. Grundlegende Untersuchung der Zinkanodenauflösung in Zink-Luft-Batterien. Physik. Chem. Chem. Physik. 15, 6416–6421 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Cai, T. et al. Anwendung fortschrittlicher Anoden in mikrobiellen Brennstoffzellen zur Stromerzeugung: Ein Rückblick. Chemosphere 248, 125985 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Beeton, ML, Aldrich-Wright, JR & Bolhuis, A. Die antimikrobiellen und antibiofilmischen Aktivitäten von Kupfer(II)-Komplexen. J. Inorg. Biochem. 140, 167–172 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Bian, B. et al. Anwendung einer 3D-gedruckten porösen Kupferanode in mikrobiellen Brennstoffzellen. Vorderseite. Energieres. 6, 50 (2018).

Artikel Google Scholar

Zhu, X. & Logan, BE Kupferanodenkorrosion beeinflusst die Stromerzeugung in mikrobiellen Brennstoffzellen. J. Chem. Technol. Biotechnologie. 89, 471–474 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Ren, H., Torres, CI, Parameswaran, P., Rittmann, BE & Chae, J. Verbesserte Strom- und Leistungsdichte mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle im Mikromaßstab aufgrund einer kleinen charakteristischen Länge. Biosens. Bioelektron. 61, 587–592 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Alavijeh, MK, Mardanpour, MM & Yaghmaei, S. Ein verallgemeinertes Modell für die komplexe Abwasserbehandlung mit gleichzeitiger Bioenergieproduktion mithilfe der mikrobiellen elektrochemischen Zelle. Elektrochim. Acta 167, 84–96 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Son, K., Brumley, DR & Stocker, R. Live unter der Linse: Erforschung der mikrobiellen Motilität mit dynamischer Bildgebung und Mikrofluidik. Nat. Rev. Microbiol. 13, 761–775 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Choban, ER, Markoski, LJ, Wieckowski, A. & Kenis, PJ Mikrofluidische Brennstoffzelle basierend auf laminarer Strömung. J. Power Sour. 128, 54–60 (2004).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sánchez, C., Dessì, P., Duffy, M. & Lens, PN Mikrobielle elektrochemische Technologien: Elektronische Schaltkreise und Charakterisierungswerkzeuge. Biosens. Bioelektron. 150, 111884 (2020).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Serra, P., Espírito-Santo, A. & Magrinho, M. Ein stationäres elektrisches Modell einer mikrobiellen Brennstoffzelle durch Polarisationskurven mit mehreren Zyklen. Erneuern. Aufrechterhalten. Energy Rev. 117, 109439 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Logan, BE Mikrobielle Brennstoffzellen. (John Wiley & Sons, 2008).

Yahyanezhad Gele, M., Yaghmaei, S. & Mardanpour, MM Eine vergleichende Studie von drei Arten von Anodenelektroden in einer mikrofluidischen mikrobiellen Brennstoffzelle. Iran. J. Hydrogen Fuel Cell 8, 13–21 (2021).

Google Scholar

Malvankar, NS, Tuominen, MT & Lovley, DR Fehlende Cytochrom-Beteiligung am weitreichenden Elektronentransport durch leitfähige Biofilme und Nanodrähte von Geobacter Sulfurreducens. Energieumwelt. Wissenschaft. 5, 8651–8659 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Haynes, WM, Lide, DR & Bruno, TJ CRC-Handbuch für Chemie und Physik: ein fertiges Nachschlagewerk mit chemischen und physikalischen Daten. S. (verschiedene Seiten) 91. Aufl. London: Boca Raton, Florida: CRC (2010).

Ahmed, J. & Kim, S.-H. Einfluss des kathodischen Biofilms auf die Leistung mikrobieller Luft-Kathoden-Einkammer-Brennstoffzellen. Stier. Koreanische Chem. Soc. 32, 3726–3729 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, W. et al. Auf Graphenoxid gestützte Zinkkobaltoxide als wirksame Kathodenkatalysatoren für mikrobielle Brennstoffzellen: Hohe katalytische Aktivität und Hemmung der Biofilmbildung. Nano Energy 57, 811–819 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Mit Kohlenstoffnanoröhren modifizierte Bimetallhybride als Kathodenkatalysatoren für mikrobielle Brennstoffzellen: Effektive Sauerstoffreduktionskatalyse und Hemmung der Biofilmbildung. J. Power Sour. 485, 229273 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Su, L. et al. Die Modifizierung der Cytochrom-C-Reifung kann die bioelektronische Leistung von manipulierten Escherichia coli steigern. ACS Synth. Biol. 9, 115–124 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Google Scholar

Akpanyung, K. & Loto, R. in Journal of Physics: Konferenzreihe. 022088 (IOP Publishing).

Fraiwan, A., Mukherjee, S., Sundermier, S., Lee, H.-S. & Choi, S. Eine papierbasierte mikrobielle Brennstoffzelle: Sofortige Batterie für Einweg-Diagnosegeräte. Biosens. Bioelektron. 49, 410–414 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ye, D. et al. Leistung einer mikrofluidischen mikrobiellen Brennstoffzelle auf Basis von Graphitelektroden. Int. J. Hydrogen Energy 38, 15710–15715 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Ren, H. et al. Eine miniaturisierte mikrobielle Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte und Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Anoden. J. Power Sour. 273, 823–830 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yang, Y. et al. Biofilmverteilung und Leistung mikrofluidischer mikrobieller Brennstoffzellen mit unterschiedlichen Mikrokanalgeometrien. Int. J. Hydrogen Energy 40, 11983–11988 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, Y. et al. Verbesserte Biofilmverteilung und Zellleistung mikrofluidischer mikrobieller Brennstoffzellen mit mehreren Anolyteneinlässen. Biosens. Bioelektron. 79, 406–410 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Fakultät für Maschinenbau, Tarbiat-Modares-Universität, Teheran, Iran

Mohammad Shirkosh & Yousef Werke

Abteilung für Bioingenieurwesen, McGill University, Montreal, QC, Kanada

Mohammad Mahdi Mardanpour

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

M.Sh.: Formale Analyse, Untersuchung, Schreib-Rezension und Bearbeitung YH: Supervision, Konzeptualisierung, Schreib-Rezension und Bearbeitung MMM: Supervision, Konzeptualisierung, Schreib-Rezension und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Yousef Hojjat.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Shirkosh, M., Hojjat, Y. & Mardanpour, MM Steigerung der Leistung mikrofluidischer mikrobieller Brennstoffzellen durch Untersuchung von Elektronentransfermechanismen, metallbasierten Elektroden und Magnetfeldeffekten. Sci Rep 12, 7417 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11472-6

Zitat herunterladen

Eingegangen: 19. Januar 2022

Angenommen: 25. April 2022

Veröffentlicht: 06. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11472-6

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Ionik (2023)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.

Blog

Steigerung der Leistung mikrofluidischer mikrobieller Brennstoffzellen durch Untersuchung von Elektronentransfermechanismen, Metall