Биобатарея

Биобатарея – это устройство хранения энергии, питающееся от органических соединений . Хотя батареи никогда не продавались в коммерческих целях, они все еще проходят испытания, и несколько исследовательских групп и инженеров работают над дальнейшим развитием этих батарей.

Работает

Как и любая батарея, биобатареи состоят из анода , катода , сепаратора и электролита , причем каждый компонент наложен поверх другого. Аноды и катоды — это положительные и отрицательные области батареи, которые позволяют электронам входить и выходить. Анод расположен в верхней части батареи, а катод — в нижней части батареи. Аноды позволяют току течь снаружи батареи, тогда как катоды позволяют току вытекать из батареи.

Между анодом и катодом находится электролит, содержащий сепаратор. Основная функция сепаратора — разделение катода и анода во избежание электрических коротких замыканий. Эта система в целом допускает поток протонов ( ${\ce {H+}}$ ) и электроны ( ${\ce {e-}}$ ), который в конечном итоге вырабатывает электроэнергию. ^[1]

Сахарная батарея

На аноде сахар окисляется, образуя как электроны, так и протоны.

Глюкоза → глюконолактон + 2H ⁺ + 2е ⁻

Эти электроны и протоны теперь играют важную роль в высвобождении запасенной химической энергии. Электроны перемещаются с поверхности анода через внешнюю цепь, чтобы добраться до катода. ^[2] С другой стороны, протоны передаются через электролит через сепаратор на катодную сторону батареи. ^[1]

Затем катод осуществляет полуреакцию восстановления, объединяя протоны и электроны с добавлением газообразного кислорода для получения воды.

О ₂ + 4Н ⁺ + 4е ⁻ → 2Н ₂ О

Бактериальные культуры

Был интерес к использованию бактерий для производства и хранения электроэнергии. В 2013 году исследователи обнаружили, что кишечная палочка является хорошим кандидатом на роль живой биобатарейки, поскольку ее метаболизм может в достаточной степени преобразовывать глюкозу в энергию и производить электричество. ^[3] Благодаря комбинации различных генов можно оптимизировать эффективное производство электроэнергии в организме. Бактериальные биобатарейки обладают большим потенциалом, поскольку они могут генерировать электричество, а не просто хранить его, а также могут содержать меньше токсичных или коррозийных веществ, чем соляная кислота и серная кислота .

Еще одна бактерия, представляющая интерес, — это недавно ^{[ когда? ]} открыл бактерию Shewanella oneidensis , получившую название «электрические бактерии», которая может восстанавливать токсичные ионы марганца и превращать их в пищу. ^[4] При этом он также генерирует электрический ток, и этот ток переносится по крошечным проводам, состоящим из бактериальных придатков, называемым бактериальными нанопроводами. Эта сеть бактерий и связанных между собой проводов создает обширную бактериальную биосхему, не похожую ни на что ранее известное науке. Помимо выработки электроэнергии, он также обладает способностью хранить электрический заряд. ^[5]

В 2015 году исследователи показали, что бактерии, окисляющие и восстанавливающие железо, могут загружать электроны на наночастицы магнетита и высвобождать их из них. В их исследовании совместные культуры железовосстанавливающих и железоокисляющих бактерий подвергались воздействию моделируемых циклов день-ночь. Под воздействием света фототрофные бактерии, окисляющие Fe(II), Rhodopseudomonas palustris , смогли удалить электроны из магнетита, тем самым разряжая его. В темноте анаэробная восстанавливающая Fe(III) бактерия Geobacter serreducens смогла обратить этот процесс вспять, возвращая электроны обратно на магнетит, тем самым перезаряжая его. ^[6]^[7] Исследователи пришли к выводу, что ионы железа в магнетитовых минералах биодоступны в качестве поглотителей и источников электронов в различных условиях окружающей среды и могут эффективно функционировать как естественная батарея. ^[6]

Приложения

Хотя биобатарейки еще не готовы к коммерческой продаже, несколько исследовательских групп и инженеров работают над дальнейшим развитием этих батарей. ^[8] Компания Sony создала биобатарею, выходная мощность которой составляет 50 мВт (милливатт). Этой мощности достаточно для питания примерно одного MP3-плеера. ^[1] В ближайшие годы Sony планирует вывести на рынок биобатареи, начиная с игрушек и устройств, требующих небольшого количества энергии. ^[9] Несколько других исследовательских центров, таких как Стэнфорд и Северо-Восточный университет, также находятся в процессе исследования и экспериментов с биобатареями в качестве альтернативного источника энергии. Поскольку в крови человека есть глюкоза, некоторые исследовательские центры также изучают медицинскую пользу биобатарей и их возможные функции в организме человека. Хотя это еще предстоит проверить, исследования по теме, касающейся как материала/устройства, так и медицинского использования биобатарей, продолжаются.

Преимущества

Ниже приведены преимущества биобатарей:• Обеспечивает мгновенную перезарядку по сравнению со всеми другими батареями.• Эти батарейки заряжаются за счет непрерывной подачи глюкозы или сахара. Они не требуют внешнего источника питания.• Его можно сделать, используя легкодоступное топливо.• Имеет высокую плотность энергии.• Его можно легко использовать при комнатной температуре.• Гибкий бумажный прототип используется в качестве имплантируемого источника питания.• Они используются в качестве экологически чистого альтернативного возобновляемого источника энергии, поскольку являются источником нетоксичного и негорючего топлива.• Они не вызывают взрывов. Следовательно, они безопасны в использовании.• Они не вызывают утечек. ^[8]

Недостатки

По сравнению с обычными батареями, такими как литиевые, биобатареи с меньшей вероятностью сохраняют большую часть своей энергии. ^[9] Это создает проблемы, когда речь идет о долгосрочном использовании и хранении энергии для этих батарей. Однако исследователи продолжают развивать батарею, чтобы сделать ее более практичной заменой нынешним батареям и источникам энергии. ^[9]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Каннан, Филипек и Ли (2009) .
^ Чжу, Чжигуан; Кин Там, Цз; Сунь, Фанфанг; Ты, Чун; Персиваль Чжан, Ю.-Х. (21 января 2014 г.). «Сахарная биобатарея с высокой энергетической плотностью, основанная на синтетическом ферментативном пути» . Природные коммуникации . 5 (1): 3026. Бибкод : 2014NatCo...5.3026Z . дои : 10.1038/ncomms4026 . hdl : 10919/87717 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 24445859 . S2CID 26403006 .
^ Университет Билефельда. «Использование бактериальных батарей для производства электричества» . ScienceDaily .
^ Фессенден, Марис. «Некоторые микробы могут есть и дышать электричеством» . Смитсоновский институт .
^ Урия и др. (2011) .
^ Перейти обратно: ^а ^б Бирн и др. (2015) .
^ «Новое исследование показывает, что бактерии могут использовать магнитные частицы для создания «естественной батареи » . 27 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 28 декабря 2017 г. Проверено 8 января 2017 г. пресс-релиз
^ Перейти обратно: ^а ^б Шариф, Фаиза; Мухаммад, Наушад; Зафар, Тахера (2020). «Биоматериалы на основе целлюлозы: преимущества и проблемы» . Биоволокна и биополимеры для биокомпозитов . стр. 229–246. дои : 10.1007/978-3-030-40301-0_11 . ISBN 978-3-030-40300-3 . S2CID 216469500 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с «БАТАРЕИ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ» . Конфедерация шведских предприятий.

Цитируемые работы

Бирн, Джеймс М.; Клюглейн, Николь; Пирс, Кэролайн; Россо, Кевин М.; Аппель, Эрвин; Капплер, Андреас (2015). «Окислительно-восстановительный цикл Fe (II) и Fe (III) в магнетите бактериями, метаболизирующими железо» . Наука . 347 (6229): 1473–1476. Бибкод : 2015Sci...347.1473B . дои : 10.1126/science.aaa4834 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 25814583 . S2CID 5450088 .
Каннан, Ренугопалакришнан; Филипек, Одетт; Ли, Мунукутла (2009). «Биобатареи и биотопливные элементы: использование белков электронного переноса заряда» (PDF) . Журнал нанонауки и нанотехнологий . 9 (3). Американские научные издательства: 1665–1678. дои : 10.1166/jnn.2009.si03 . ПМИД 19435024 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2011 г.
Урия, Н.; Муньос Бербель, X.; Санчес, О.; Муньос, FX; Мас, Дж. (2011). «Переходное хранение электрического заряда в биопленках Shewanella oneidensis MR-1, растущих в микробном топливном элементе». Окружающая среда. наук. Технол . 45 (23): 10250–6. Бибкод : 2011EnST...4510250U . дои : 10.1021/es2025214 . ПМИД 21981730 .

[FOOTNOTEKannanFilipekLi2009-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Каннан, Филипек и Ли (2009) .

[2] Чжу, Чжигуан; Кин Там, Цз; Сунь, Фанфанг; Ты, Чун; Персиваль Чжан, Ю.-Х. (21 января 2014 г.). «Сахарная биобатарея с высокой энергетической плотностью, основанная на синтетическом ферментативном пути» . Природные коммуникации . 5 (1): 3026. Бибкод : 2014NatCo...5.3026Z . дои : 10.1038/ncomms4026 . hdl : 10919/87717 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 24445859 . S2CID 26403006 .

[3] Университет Билефельда. «Использование бактериальных батарей для производства электричества» . ScienceDaily .

[4] Фессенден, Марис. «Некоторые микробы могут есть и дышать электричеством» . Смитсоновский институт .

[FOOTNOTEUríaMuñoz_BerbelSánchezMuñoz2011-5] Урия и др. (2011) .

[FOOTNOTEByrneKluegleinPearceRosso2015-6] Перейти обратно: ^а ^б Бирн и др. (2015) .

[EAG1-7] «Новое исследование показывает, что бактерии могут использовать магнитные частицы для создания «естественной батареи » . 27 марта 2015 г. Архивировано из оригинала 28 декабря 2017 г. Проверено 8 января 2017 г. пресс-релиз

[CFDRC-8] Перейти обратно: ^а ^б Шариф, Фаиза; Мухаммад, Наушад; Зафар, Тахера (2020). «Биоматериалы на основе целлюлозы: преимущества и проблемы» . Биоволокна и биополимеры для биокомпозитов . стр. 229–246. дои : 10.1007/978-3-030-40301-0_11 . ISBN 978-3-030-40300-3 . S2CID 216469500 .

[advantages-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с «БАТАРЕИ НА ОСНОВЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ» . Конфедерация шведских предприятий.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]