www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=668
פרסום
מספר חוקרים ברחבי העולם פיתחו טכנולוגיה המבוססת על אלקטרוכימיה מיקרוביאלית (Microbial electrochemistry) עבור מספר מטרות תעשייתיות, זאת במסגרת המאמץ המתמשך לייצר חשמל באופן יעיל יותר, זול וידידותי לסביבה.
במחקר שנערך לאחרונה ופורסם ב-Journal of Power Sources, קבוצת חוקרים מהמחלקה לביולוגיה והנדסה סביבתית ב- Cornell Universityפיתחה אלקטרודה המבוססת על ננו-סיבי פחמן (Carbon nanofiber electrode), אשר מסוגלת להגדיל את הזרם החשמלי המיוצר באמצעות מערכת ביו-אלקטרוכימית (Bioelectrochemical system; BES) הכלולה באלקטרודה.
אלקטרוכימיה מיקרוביאלית הנו תחום מולטי-דיסציפלינרי המשלב מיקרוביולוגיה, הנדסה, הנדסת חומרים, אלקטרוכימיה ותחומים רבים נוספים. הטכנולוגיה בתחום זה מסתמכת על מערכות אלקטרוכימיות-מיקרוביאליות (Microbial electrochemical systems; MESs) כפלטפורמה פונקציונאלית. רוב מערכות ה-MESs כוללות אנודה שבה מצעים מתכלים (Biodegradablesubstrates), כגון אלה הנמצאים במקורות מי שפכים, מחומצנים על ידי מיקרואורגניזמים המזרזים תהליכים כימיים (Biocatalyst microorganisms) בתוך המערכת, במטרה ליצור זרם חשמלי.
מערכות ה-MESs מספקות טכנולוגיה סביבתית ייחודית ומשתלמת כלכלית, מכיוון שעל ידי מניפולציות שונות במסגרת תהליכי הטיפול במים, הן מאפשרות לשחזר אנרגיה לטובת שימוש עתידי, ובמקביל ללכוד נוטריינטים, מים, או תוצרים רצויים אחרים הנמצאים במים המטופלים.
יש לציין, כי מערכות ה-MESs הוכיחו את יעילותן בטיפול במי שפכים, וכן בייצור אנרגיה חשמלית, ביוגז (גז שנוצא כתוצאה מפירוק חומר אורגני על ידי חיידקים) ומספר כימיקלים בעלי ערך. עם זאת, היישום המעשי של המערכות בקנה מידה תעשייתי מתקדם באיטיות בעקבות העלויות הגבוהות הכרוכות בארכיטקטורות המורכבות של תא הדלק במערכת (Fuel cell; תא אלקטרוכימי, אשר ממיר אנרגיה כימית לזרם חשמלי).
צוות המחקר מ-Cornell University, בהובלת Largus Angenet ובשיתוף פעולה עם Northeastern University, פיתח אלקטרודה המבוססת על ננו-סיבי פחמן (Carbon nanofiber electrode) שסונתזו בשיטת הטוויה האלקטרונית (Electrospinning). האלקטרודה צופתה בפולימר מוליך, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), המכונה גם PEDOT. ציפוי זה מוכר בשל היציבות הכימית הגבוהה שלו, פער אנרגיה מתון (Band gap; טווח של אנרגיות במוצק בו לא יכולים להימצא אלקטרונים), פוטנציאל חמצון-חיזור נמוך, מוליכות חשמלית גבוהה באופן עקבי ב-pH נייטרלי, וכן קיבולת גבוהה.
תהליך פיתוח האלקטרודה כלל ייצור חתיכות של הפולימר polyacrylonitrile (PAN) על ידי טוויה אלקטרונית; חתיכות ה-PAN הומרו לאלקטרודות העשויות מננו-סיבי פחמן, אשר השתלבו במערכת הביו-אלקטרוכימית (BES) הכוללת את החיידק Geobacter sulfurreducens; לאחר מכן, האלקטרודות צופו בפולימר PEDOT.
במטרה לבחון ולנתח לעומק את התכונות האלקטרוכימיות של האלקטרודות החדשות, כולל בחינת המוליכות, קוטר הסיבים, שטח פנים סגולי והנקבוביות באלקטרודות, החוקרים ביצעו בדיקות במספר שיטות אשר הראו כי הזרם החשמלי המיוצר על ידי המערכת החדשה מביא לשיפור של40%-50% בהשוואה למערכות המצוידות בפלטינה או בננו-סיבי פחמן בלבד.
כמו כן, מסתמן כי הוספת ציפוי ה- PEDOT הגדילה את שטח הפנים הסגולי ב-85%, באופן שככל הנראה הוביל להגדלת ייצור הזרם החשמלי במערכת באמצעות הגדלת כמות השטח הזמין לאינטראקציה ביולוגית במערכת. כך, עלייה בשטח הפנים מאפשרת ל- biofilm (ביופילם) של מקור החיידק G. sulfurreducens להיות עבה ונפוץ יותר בתוך האלקטרודה. עם זאת, במטרה להעריך כיצד שינויים אלו של פני השטח משפיעים על האלקטרודה, יש לבצע מחקרים נוספים בנושא.
מכאן, החוקרים הראו כי למערכת הביו-אלקטרוכימית (BES) החדשה, המבוססת על ננו-סיבי פחמן ו-PEDOT, ישנם יתרונות משמעותיים לעומת הייצור הנוכחי, אך מסתמן כי נדרשת עבודת מחקר נוספת במטרה להבין היטב את הפרקטיות של אלקטרודות אלטרנטיביות מסוג זה.
הכתבה באדיבות מקורות
