Une nouvelle étude sur l'optimisation des piles à combustible microbiennes montre que le matériau de l'électrode peut faire toute la différence.
À l'heure actuelle, les piles à combustible microbiennes sont principalement utilisées dans les laboratoires de recherche pour produire de l'électricité. Pour que des applications industrielles soient envisagées à l'avenir, les piles à combustible doivent être perfectionnées de manière à pouvoir produire des quantités d'électricité toujours plus élevées qu'actuellement. Dans une étude récente publiée dans la revue "Biotechnology for Biofuels and Bioproducts", une équipe de chercheurs de l'université de Bayreuth a examiné les facteurs jouant un rôle dans ce domaine. Le choix du matériau de l'électrode s'est avéré particulièrement important pour accroître la stabilité et les performances.
Meshack Imologie Simeon M.Sc., Université de Bayreuth, étudie les piles à combustible microbiennes pour le traitement des eaux usées et la production d'électricité.
UBT / Chr. Wißler
Le circuit électrique des piles à combustible microbiennes est alimenté par le métabolisme des micro-organismes : Ceux-ci se nourrissent de composés organiques, libérant des électrons qui sont transférés à l'anode de la pile à combustible et, de là, à la cathode. L'équipe de recherche de Bayreuth a testé deux matériaux d'électrode différents dans le cadre de ses recherches sur l'optimisation des piles à combustible microbiennes : Un feutre de carbone et une maille d'acier inoxydable modifiée. Les meilleurs résultats ont été obtenus lorsque les électrodes des piles étaient constituées d'un treillis en acier inoxydable, dont la surface a été modifiée avec du noir de carbone hautement conducteur et un liant polymère écologique. La distance optimale entre l'anode et la cathode était d'environ quatre centimètres. Ce procédé a permis de générer de manière fiable des quantités d'électricité qui peuvent être utilisées dans la pratique, par exemple pour alimenter des capteurs de surveillance de l'environnement dans des régions reculées - sans être raccordées au réseau électrique. Ces piles à combustible permettent également de décontaminer des sols contaminés par des hydrocarbures pétroliers tout en produisant de l'électricité. Comme le montre l'étude, l'efficacité de ces stratégies de détoxification peut être considérablement accrue si l'on dispose des électrodes appropriées pour capter les électrons métaboliques.
"Les performances nettement supérieures que nous avons pu obtenir avec la pile à combustible microbienne utilisant les électrodes nouvellement développées peuvent s'expliquer par le fait que ce matériau offre une plus grande surface spécifique avec laquelle les micro-organismes peuvent interagir et des caractéristiques capacitives pour stocker en interne la bioélectricité. Par conséquent, le nombre d'électrons libérés par le métabolisme microbien qui entrent dans le circuit est particulièrement élevé ici", explique le premier auteur de l'étude, Meshack Imologie Simeon M.Sc. En tant que doctorant dans le groupe de recherche en génie des bioprocédés de l'université de Bayreuth, il étudie les possibilités de production d'énergie durable basée sur la bioélectricité. Il est entré en contact avec des scientifiques travaillant sur ce sujet à Bayreuth alors qu'il était étudiant en master à l'université d'Ibadan et assistant de recherche à l'université fédérale de technologie de Minna, au Nigeria.
Comme le montre l'étude, la stabilité des piles à combustible et la quantité d'électricité produite sont également influencées par les intervalles de temps auxquels les micro-organismes sont nourris. Une alimentation flexible dans le temps, qui intervient lorsqu'un affaiblissement de la production d'électricité devient perceptible, s'est avérée particulièrement efficace. Il s'est avéré qu'elle contribuait davantage à l'augmentation des performances de la pile à combustible qu'une alimentation régulière à intervalles de temps égaux.
L'équipe de recherche de Bayreuth a mené ses études sur une pile à combustible basée sur le sol (Soil Microbial Fuel Cells) : Ce type de pile à combustible fonctionne avec des bactéries et d'autres micro-organismes, tels que ceux que l'on trouve dans les sols arables ou forestiers. Pour identifier les différents types de micro-organismes impliqués dans la production d'énergie dans la pile à combustible, des séquences d'ADN microbien ont été prélevées sur les électrodes. L'origine de ces séquences a été analysée sous la direction du Dr Alfons Weig au Laboratoire central d'analyse de l'ADN de l'Université de Bayreuth. Les protéobactéries représentaient la plus grande proportion, mais une autre souche bactérienne - les Firmicutes - était également fréquemment représentée.
"Nos études montrent que les sols naturels contiennent un mélange de différentes souches bactériennes capables de transférer directement des électrons et pouvant être utilisées dans des piles à combustible pour générer de la bioélectricité. D'après ce que nous avons pu déterminer, le rapport entre ces souches dans le mélange n'a pas d'influence significative sur la stabilité et les performances de la pile à combustible. L'influence la plus importante est exercée par les matériaux des électrodes, dont dépendent la résistance ohmique du circuit et la capacité électrique des piles à combustible", souligne le professeur Ruth Freitag, titulaire de la chaire de génie des bioprocédés à l'université de Bayreuth.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Imologie Meshack Simeon, Alfons Weig and Ruth Freitag: Optimization of soil microbial fuel cell for sustainable bio-electricity production: combined efects of electrode material, electrode spacing, and substrate feeding frequency on power generation and microbial community diversity. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts (2022) 15:124
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