據(jù)估計(jì)，到2050年，世界人口將達(dá)到95億。鑒于我們目前的能源大部分來自化石燃料，這在提供足夠的可持續(xù)電力的同時(shí)緩解氣候變化方面帶來了重大挑戰(zhàn)。

近幾年來，有一個(gè)想法得到了廣泛的關(guān)注，那就是利用微生物燃料電池(MFCs)中的細(xì)菌發(fā)電。這些燃料電池依賴于某些自然存在的微生物的能力，這些微生物能夠“呼吸”金屬，交換電子來產(chǎn)生電能。這一過程可以使用稱為基質(zhì)的物質(zhì)作為燃料，其中包括廢水中發(fā)現(xiàn)的有機(jī)物。

目前，微生物燃料電池能夠發(fā)電，為計(jì)算器、小風(fēng)扇和發(fā)光二極管等小型設(shè)備提供動(dòng)力。在我們的實(shí)驗(yàn)室里，我們用“模擬廢水”為一棵微型圣誕樹上的燈供電。但如果這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大規(guī)模，它將大有可為。

MFCs使用一個(gè)由陽極和陰極電極組成的系統(tǒng)，可以通過電流輸入或輸出。常見的MFCs系統(tǒng)由一個(gè)陽極室和一個(gè)被膜隔開的陰極室組成。細(xì)菌在陽極上生長(zhǎng)，并將底物轉(zhuǎn)化為二氧化碳、質(zhì)子和電子。

產(chǎn)生的電子隨后通過外部電路轉(zhuǎn)移到陰極室，而質(zhì)子則通過薄膜。在陰極室中，質(zhì)子和電子之間的反應(yīng)會(huì)消耗掉氧氣并形成水。只要基底不斷轉(zhuǎn)換，電子就會(huì)流動(dòng)，這就是電。

通過MFCs發(fā)電有許多優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)可以在任何地方建立;它們產(chǎn)生的“污泥”比傳統(tǒng)的廢水處理方法(如活性污泥系統(tǒng))少;它們可以是小規(guī)模的，但模塊化設(shè)計(jì)可以用來建立更大的系統(tǒng);它們對(duì)鹽度有很高的耐受性;它們可以運(yùn)行在室溫下。

可用于在MFCs中發(fā)電的各種可再生基板的可用性有可能在未來徹底改變電力生產(chǎn)。這些基質(zhì)包括尿液、廢水中的有機(jī)物、活植物分泌到土壤中的物質(zhì)(根系分泌物)、無機(jī)廢物，如硫化物，甚至氣體污染物。

二、植物MFCs

MFCs可以用來發(fā)電的另一種可再生和可持續(xù)的基質(zhì)是植物根系分泌物，即所謂的植物MFCs。當(dāng)植物生長(zhǎng)時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生葡萄糖等碳水化合物，其中一些會(huì)滲出到根系中。根部附近的微生物將碳水化合物轉(zhuǎn)化為質(zhì)子、電子和二氧化碳。

在植物MFCs中，質(zhì)子通過膜傳遞，然后與氧氣重新結(jié)合，完成電子轉(zhuǎn)移的回路。通過將負(fù)載連接到電路中，所產(chǎn)生的電能就可以利用了。

工廠MFC可以徹底改變那些無法接入電網(wǎng)的孤立社區(qū)的電力生產(chǎn)。在城鎮(zhèn)里，街道可以用樹照明。

三、微生物脫鹽池

微生物燃料電池的另一個(gè)變種是微生物脫鹽電池。這些裝置利用細(xì)菌發(fā)電，例如從廢水中發(fā)電，同時(shí)使水脫鹽。將要脫鹽的水放入夾在MFCs的陽極室和陰極室之間的室中，使用帶負(fù)(陰離子)和正(陽離子)電荷的離子的膜。

當(dāng)陽極室中的細(xì)菌消耗廢水時(shí)，會(huì)釋放出質(zhì)子。這些質(zhì)子不能通過陰離子膜，所以負(fù)離子從鹽水進(jìn)入陽極室。在陰極，質(zhì)子被消耗掉，所以帶正電的離子從鹽水移到陰極室，使中間室的水淡化。陽極和陰極室釋放的離子有助于提高發(fā)電效率。

傳統(tǒng)的海水淡化目前是非常能源密集的，因此成本高昂。一種在生產(chǎn)(不消耗)電能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模海水淡化的工藝將是革命性的。

ITMO大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新方法，該方法可以在保持太陽能電池效率的同時(shí)將透明材料用于太陽能電池。新技術(shù)基于摻雜方法，通過添加雜質(zhì)來改變材料的特性，但無需使用昂貴的專用設(shè)備。

這項(xiàng)研究的結(jié)果已發(fā)表在ACSAppliedMaterials&Interfaces(“離子門控小分子OPV：電荷收集器和傳輸層的界面摻雜”中)中。

太陽能最吸引人的挑戰(zhàn)之一是開發(fā)透明的薄膜光敏材料。這種薄膜可以應(yīng)用在普通窗戶的頂部以產(chǎn)生能量，而不會(huì)影響建筑物的外觀。但是開發(fā)將高效率和良好透光率結(jié)合在一起的太陽能電池是非常困難的。

常規(guī)的薄膜太陽能電池具有不透明的金屬背接觸，可以捕獲更多的光。透明太陽能電池使用透光背電極。在這種情況下，某些光子在通過時(shí)不可避免地會(huì)丟失，從而降低了設(shè)備的性能。此外，生產(chǎn)具有適當(dāng)性能的背電極可能會(huì)非常昂貴，

審核編輯：湯梓紅