Carbono

May 26, 2023

Sociedade Chinesa de Ciências Ambientais

imagem: A, Design e materiais dos eletrodos dos quatro SMFCs testados neste estudo. b, montagem do cátodo. c, Montagem experimental.Veja mais

Crédito: Ciência Ambiental e Ecotecnologia

No contexto das crescentes demandas de energia e preocupações ambientais, as soluções de energia renovável são cruciais para alcançar emissões líquidas zero até 2050. As tecnologias eletroquímicas microbianas, como SMFCs, são econômicas e ecologicamente corretas, tornando-as uma opção atraente para sistemas de energia verde . Os SMFCs utilizam microrganismos endógenos presentes no solo para converter matéria orgânica em eletricidade, oferecendo uma fonte de energia sustentável e uma estratégia de biorremediação in situ autoalimentada para solos contaminados.

Os materiais catódicos desempenham um papel significativo no desempenho das células de combustível microbianas. Neste estudo, os pesquisadores compararam o desempenho de SMFCs de cátodo de ar sem membrana usando quatro cátodos diferentes: tecido de carbono, tecido de carbono dopado com Pt, feltro de grafite e um inovador eletrodo de nanofibras de carbono dopado com Fe. Os pesquisadores realizaram testes eletroquímicos por longos períodos, juntamente com análises taxonômicas microbianas, para avaliar o efeito dos materiais do eletrodo na formação do biofilme e no desempenho eletroquímico.

Em um estudo publicado no Volume 16 da revista Environmental Science and Ecotechnology em abril de 2023, pesquisadores da Universidade de Bath revelaram que as nanofibras de carbono dopadas com Fe e os cátodos de tecido de carbono dopados com Pt produziram desempenhos estáveis, com densidades de potência de pico de 25,5 e 30,4 mW m−2, respectivamente. Os cátodos de feltro de grafite demonstraram o melhor desempenho eletroquímico, com uma densidade de potência de pico de 87,3 mW m-2. No entanto, eles também exibiram a maior instabilidade.

Um exame das comunidades microbianas encontrou diferenças entre comunidades anódicas e catódicas. Os ânodos foram predominantemente enriquecidos com espécies de Geobacter e Pseudomonas, enquanto as comunidades catódicas foram dominadas por bactérias produtoras de hidrogênio e hidrogenotróficas. Isso sugere que o ciclo do hidrogênio pode ser um possível mecanismo de transferência de elétrons. Além disso, a presença de bactérias redutoras de nitrato em combinação com resultados de voltamogramas cíclicos indicaram que a redução microbiana de nitrato ocorreu em cátodos de feltro de grafite.

O uso de cátodos inovadores de nanofibras de carbono dopado com Fe proporcionou um desempenho eletroquímico comparável ao tecido de carbono dopado com Pt, oferecendo uma alternativa de baixo custo. No entanto, o feltro de grafite superou todos os outros eletrodos testados, mas apresentou menor reprodutibilidade e maiores perdas de transporte de massa. O perfil taxonômico microbiano dos biofilmes catódicos revelou a presença de táxons relacionados à redução de oxigênio ou envolvimento na utilização de aceptores alternativos de elétrons, como o nitrato.

Os resultados deste estudo podem orientar pesquisas futuras sobre SMFCs de baixo custo e alto desempenho para aplicações práticas em coleta de energia e biorremediação. Ao entender como os materiais dos eletrodos influenciam as comunidades microbianas e o desempenho eletroquímico, os pesquisadores podem acelerar a tradução de SMFCs em implementações do mundo real.

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Referências

Autores

Arpita Nandy a, Daniel Farkas b, Belén Pepió-Tárrega c, Sandra Martinez-Crespiera c, Eduard Borràs c, Claudio Avignone-Rossa b, Mirella Di Lorenzo a

Afiliações

a Departamento de Engenharia Química e Centro de Biossensores, Bioeletrônica e Biodispositivos (C3Bio), Universidade de Bath, Claverton Down, BA2 7AY, Reino Unido

b Departamento de Ciências Microbianas, Universidade de Surrey, Guildford, GU2 7XH, Reino Unido

c Centro Tecnológico LEITAT, C/ de la Innovación, 2, 08225, Terrassa, Barcelona, ​​​​Espanha

Ciência Ambiental e Ecotecnologia

10.1016/j.ese.2023.100276

Não aplicável

Influência de cátodos à base de carbono na composição do biofilme e desempenho eletroquímico em células de combustível microbianas do solo