Un team di ingegneri e chimici guidato dall’UCLA ha fatto un importante passo avanti nello sviluppo delle celle a combustibile microbiche, una tecnologia che utilizza batteri naturali per estrarre elettroni dalla materia organica nelle acque reflue per generare correnti elettriche.

“I sistemi di recupero energetico viventi che utilizzano batteri presenti nelle acque reflue offrono un forte contributo agli sforzi di sostenibilità ambientale”, ha detto il co-autore Yu Huang, professore e presidente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la UCLA Samueli School of Engineering. “Le popolazioni naturali di batteri possono aiutare a decontaminare le acque sotterranee abbattendo i composti chimici nocivi. Ora, la nostra ricerca mostra anche un modo pratico per sfruttare l’energia rinnovabile da questo processo”.

Il team si è concentrato sul genere di batteri Shewanella, che sono stati ampiamente studiati per le loro capacità di generazione di energia. Possono crescere e prosperare in tutti i tipi di ambienti, tra cui suolo, acque reflue e acqua di mare, indipendentemente dai livelli di ossigeno. Le specie di Shewanella scompongono naturalmente la materia organica di scarto in molecole più piccole, con gli elettroni che sono un sottoprodotto del processo metabolico. Quando i batteri crescono come film sugli elettrodi, alcuni degli elettroni possono essere catturati, formando una cella a combustibile microbica che produce elettricità.

Tuttavia, le celle a combustibile microbiche alimentate da Shewanella Oneidensis non hanno precedentemente catturato abbastanza corrente dai batteri per rendere la tecnologia pratica per l’uso industriale. Pochi elettroni potrebbero muoversi abbastanza velocemente da sfuggire alle membrane dei batteri ed entrare negli elettrodi per fornire corrente elettrica e potenza sufficienti.

Per affrontare questo problema, i ricercatori hanno aggiunto nanoparticelle d’argento agli elettrodi composti da un tipo di ossido di grafene. Le nanoparticelle rilasciano ioni d’argento, che i batteri riducono in nanoparticelle d’argento usando elettroni generati dal loro processo metabolico e poi incorporano nelle loro cellule. Una volta all’interno dei batteri, le particelle d’argento agiscono come microscopici fili di trasmissione, catturando più elettroni prodotti dai batteri.

“Aggiungere le nanoparticelle d’argento nei batteri è come creare una corsia di espressione dedicata per gli elettroni, che ci ha permesso di estrarre più elettroni e a velocità più elevate”, ha detto Xiangfeng Duan, l’altro autore corrispondente dello studio e professore di chimica e biochimica presso l’UCLA.

Con un’efficienza di trasporto degli elettroni notevolmente migliorata, il film di Shewanella infuso d’argento produce oltre l’80% degli elettroni metabolici al circuito esterno, generando una potenza di 0,66 milliwatt per centimetro quadrato – più del doppio del precedente migliore per le celle a combustibile a base microbica. Con l’aumento della corrente e il miglioramento dell’efficienza, lo studio, supportato dall’Office of Naval Research, ha dimostrato che le celle a combustibile alimentate da batteri ibridi argento-Shewanella possono aprire la strada a una potenza sufficiente in contesti pratici.