段镶锋/黄昱夫妇联手发Science！

微生物燃料电池（MFCs）可以通过微生物代谢将储存在许多生物降解有机物来源中的化学能直接转化为电能。多种细菌物种和种类繁多的燃料使MFC成为通过生物质和废水处理进行可再生生物发电的有吸引力的技术。出于这个原因，MFC越来越受到学术界和工业界的关注。在为这些系统提供动力的细菌中，希瓦氏菌种因其在有氧和厌氧环境中的强劲增长，以及土壤和海水的丰富分布而受到广泛研究，用于生物恢复和环境能源回收。然而，从典型的希瓦氏菌MFC获得的电流密度和功率密度通常太低，不适合实际应用。由于细菌负载能力低和/或细胞外电子传输效率相对较差，低功耗输出在很大程度上受到细菌阳极的限制。

在MFCs的细菌中，细菌细胞质中代谢过程产生的电子通过一系列直接或间接的电子传递过程转移到电极表面。总体而言，跨膜和细胞外电子传输过程通常涉及缓慢的电子跃迁过程，因为要经过非典型导体的氧化还原中心或多个氧化还原循环，这可能会严重限制电荷传输效率。因此，为了突破当前MFC的功率限制，必须设计可以从根本上解决这些电荷传递限制的阳极，以有效地将代谢电子提取到外部电极。

加州大学洛杉矶分校的段镶锋/黄昱夫妇在Science上发表最新的研究成果Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells，他们发现还原氧化石墨烯-银纳米颗粒阳极可以绕过其中一些问题，从而大幅提高电流和功率密度。

作者报告了一个合理的策略，以促进用还原氧化石墨烯-银纳米颗粒（rGO/Ag）支架构建的希瓦氏菌MFCs的跨膜和细胞外电子传输过程。作者的系统研究表明，rGO/Ag可以释放带正电荷的银离子，这有助于希瓦氏菌附着在rGO/Ag骨架上，形成致密的生物膜，并产生希瓦氏菌-Ag复合物。电子显微镜显示，银纳米颗粒嵌入或附着在外细胞膜上，这可能有助于电子从内部电子载体转移到阳极。这些改进大大提高了电子传输效率和电荷提取效率，提高了细菌周转频率（TOF），并提高整体MFC性能。

由此产生的希瓦氏菌-银MFC提供的最大电流密度为3.85 mA/cm²，功率密度为0.66 mW/cm²，单细胞周转频率为8.6×10⁵/s，所有这些都大大高于迄今为止报告的最佳MFC。此外，混合MFC具有出色的燃料利用效率，库仑效率为81%。

图文详情

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图1. 希瓦氏菌生物膜的表征

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图2. 不同阳极的希瓦氏菌MFC性能比较

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图3. 不同阳极下希瓦氏菌MFC的周转频率(TOFs)

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图4. 单个细菌跨膜结构的表征

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图5. EIS阻抗测试

文献信息

Silver nanoparticles boost charge-extraction efficiency in Shewanella microbial fuel cells. Cao et al., Science 373, 1336–1340 (2021).

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abf3427

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