Wie mikrobielle Brennstoffzellen zur Lösung von zwei dringenden globalen Umweltproblemen beitragen könnten

Mikrobielle Brennstoffzellen (MFC) könnten dazu beitragen, zwei der dringendsten Umweltprobleme der Welt zu lösen: nachhaltige Energieerzeugung und Abfallbeseitigung.

MFC ist eine umweltfreundliche Technologie, die die Kraft von Bakterien nutzt, um ein energiereiches Substrat in Elektrizität umzuwandeln. Die Technologie bietet verlockende Möglichkeiten, nachhaltige Energie aus Abfallprodukten wie biologisch abbaubarem Abfall oder Abwasser zu erzeugen. MFC könnte sich an abgelegenen Orten mit schlechter Energieinfrastruktur als besonders nützlich erweisen – und gleichzeitig bei der Abwasserbehandlung helfen.

Ein reichhaltiges natürliches Substrat

Menschlicher Urin bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Abfallarten, die derzeit als MFC-Substrate untersucht werden, einschließlich seiner (nahezu) unbegrenzten Verfügbarkeit und bioelektrischen Eigenschaften. Mit Urin gespeiste MFCs wurden bereits entwickelt. Sie können Smartphones aufladen und die Beleuchtung mit Strom versorgen.

Nun suchen Forscher nach Möglichkeiten, das Design und die Materialien von mit Urin betriebenen MFCs zu verbessern. Damit die praktische Umsetzung der Technologie von Erfolg gekrönt ist, müssen Voraussetzungen wie die Steigerung der Leistungsfähigkeit, der Langzeitstabilität und der Funktionalität gegeben sein. Die Verwendung von leitfähigen Polymeren als Anode gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit, wobei Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) eines der bisher erfolgreichsten ist, dessen Leistung durch Zugabe von Polystyrolsulfonat (PSS) weiter gesteigert werden kann.

PEDOT-PSS-modifizierte Anoden

In einer neuen Studie untersucht ein Forscherteam das Potenzial der Verwendung von PEDOT-PSS-modifizierten Elektroden in mit Urin gefütterten MFCs¹. Die Forscher synthetisierten PEDOT-PSS-Anoden durch Elektropolymerisation auf der Oberfläche eines Stücks Kohlenstoffschleier für unterschiedliche Zeiten: 30, 60, 120 und 240 Sekunden. Während alle modifizierten Anoden die blanke Kohlenstoffschleierelektrode übertrafen, war das Material, das mit der kürzesten Elektropolymerisationszeit hergestellt wurde, am besten – es zeigte eine um 24,3 % höhere maximale Ausgangsleistung.

Das Team bewertete dann die Funktionalität der PEDOT-PSS-Anoden über drei Monate, in denen die Systeme kontinuierlich mit reinem menschlichem Urin gespeist wurden. Die Leistung der MFCs war stabil. Das zeigt, dass das PEDOT-PSS erfolgreich auf der Oberfläche der Elektroden abgeschieden wurde und während dieses Zeitraums befestigt und unverändert blieb.

Die Forscher bereiteten alle Lösungen mit Reinstwasser vor, das von einer ELGA PURELAB® Reinstwasseranlage erzeugt wurde. Damit minimierten Sie das Risiko des Hinzufügens von Verunreinigungen, die die Ergebnisse ihrer Experimente beeinträchtigen könnten.

Verbesserte Leistung und Praktikabilität

Es ist das erste Mal, dass PEDOT-PSS-Anodenmaterial in MFCs kontinuierlich mit reinem menschlichem Urin gefüttert wurde. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Verwendung modifizierter Anoden in dieser Anwendung eine verbesserte und auch eine langfristige Stabilität und Funktionalität aufweist. Die Forschung deutet darauf hin, dass modifizierte Anoden für langfristige Betriebsprozesse geeignet sind, was eine Voraussetzung für die Anwendung unter realen Bedingungen ist. 

Diese innovativen Forschungen führen uns vor Augen, dass teils abwegige Ideen großartiges Lösungspotenzial versprechen. Die Weiterentwicklung dieser neuen Materialien ist entscheidend für die Entwicklung grüner Technologien und das Lösen von dringenden globalen Energie- und Umweltproblemen.

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Quelle:

1. Salar–Garcia, M. J. et al. Improving the power performance of urine–fed microbial fuel cells using PEDOT–PSS modified anodes. Applied Energy 2020; 278:115528