نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

سنتز و بررسی مولکول الیگوالکترولیت مزدوج جهت افزایش بازده پیل‌ سوختی میکروبی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
محمدرضا مهرعلیزاده 1
بهمن عبدالهی 2، 3
1 گروه شیمی فیزیک، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
2 مرکز پایش و نظارت بر کیفیت شرکت آب و فاضلاب استان آذربایجان شرقی، ایران
3 شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
چکیده
بخش آند به عنوان یک مکان تولید الکترون، عملکرد توان و حذف آلاینده‌ها در سلول سوختی میکروبی (MFC) را تعیین می‌کند. با این حال، فرآیند انتقال الکترون خارج سلولی (EET) تولید بیوالکتریسیته را محدود می‌کند. در این پژوهش، نقش الیگوالکترولیت‌های مزدوج (COEs) در کاتالیز فعالیت باکتریایی برای تولید جریان بیوالکتریکی مورد بررسی قرار گرفت. در این راستا، COE با نام‌ تترا]4-]1-(3-متیل ایمیدازولیوم کلراید)[ بوتیل[ فروسن (TMBF+) سنتز شده و افزایش خروجی جریان آندی از طریق دستگاه MFC مورد بررسی قرار گرفت. تحلیل‌های الکتروشیمیایی نشان‌دهنده عملکرد عالی در تولید جریان بیوالکتریکی برای سلول‌های اصلاح شده با TMBF+ بود. آستانه تحمل سلول‌های اصلاح شده با COEs برای غلظت‌های مختلف COEs با استفاده از آزمون کرونوآمپرومتری (CA) بررسی شد. علاوه بر این، عملکرد توان MFC بالاترین مقدار 97/138 میلی‌وات بر متر مربع را برای سلول‌های اصلاح شده با TMBF+ در مقایسه با سلول‌های اصلاح نشده (2/72 میلی‌وات بر متر مربع) نشان داد. نتایج نشان داد که اصلاح غشاهای سلول‌ها با COEs یک روش مناسب برای تسهیل فرآیند EET و تولید بیوالکتریسیته است.
کلیدواژه‌ها
سلول سوختی میکروبی
اولیگو الکترولیت‌های مزدوج
آند
فرآیند انتقال الکترون خارج سلولی
توان

موضوعات

[1] Kandpal R., Shahadat M., Ali S. W., Hu C., Ahammad S. Z., Material Specific Enrichment of Electroactive Microbes on Polyaniline-Supported Anodes in a Single Chamber Multi-Anode Assembly Microbial Fuel Cell, Mater. Res. Bull., 157: 111983 (2023).
[2] Lai B. L., Wei H. X., Luo Z. N., Zheng T., Lin Y. H., Liu Z. Q., Li N., ZIF-8-Derived Cu, N Co-Doped Carbon as a Bifunctional Cathode Catalyst for Enhanced Performance of Microbial Fuel Cell, Sci. Total Environ., 856: 159083 (2023).
[3] Ahmadpour T., Aber S., Hosseini M. G., Improved Dye Degradation and Simultaneous Electricity Generation in a Photoelectrocatalytic Microbial Fuel Cell Equipped with AgBr/CuO Hybrid Photocathode, J. Power Sources., 474: 228589 (2020).
[4] اسفندیاری م.، بررسی پارامترهای دما و شدت جریان سابستریت بر عملکرد پیل سوختی میکروبی دو محفظه­ ای، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)39: 315 تا 323 (1399).
[5] Liu Y., Guo S., Wang J., Li C., Fundamental Development and Research of Cathodic Compartment in Microbial Fuel Cells: A Review, J. Environ. Chem. Eng., 10(3): 107918 (2022).
[6] Aftab S., Shah A., Nisar J., Ashiq M.N., Akhter M. S., Shah A.H., Marketability Prospects of Microbial Fuel Cells for Sustainable Energy Generation, Energy Fuels., 34(8): 9108–9136 (2020).
[7] Zhou E., Lekbach Y., Gu T., Xu D., Bioenergetics and Extracellular Electron Transfer in Microbial Fuel Cells and Microbial Corrosion Curr. Opin. Electrochem., 31: 100830 (2022).
[8] Ouzi Z.A., Aber S., Nofouzi K., Khajeh R.T., Rezaei A., Carbon Paste/LDH/Bacteria Biohybrid for the Modification of the Anode Electrode of a Microbial Fuel Cell, J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 142: 104668 (2023).
[9] Prasad J., Tripathi R.K., Review on Improving Microbial Fuel Cell Power Management Systems for Consumer Applications, Energy Rep., 8: 10418–10433 (2022).
[10] Cai T., Meng L., Chen G., Xi Y., Jiang N., Song J., Zheng S., Liu Y., Zhen G., Huang M., Application of Advanced Anodes in Microbial Fuel Cells for Power Generation: A Review, Chemosphere., 248: 125985 (2020).
[11] Zhao J., Li F., Cao Y., Zhang X., Chen T., Song H., Wang Z., Microbial Extracellular Electron Transfer and Strategies for Engineering Electroactive Microorganisms, Biotechnol. Adv., 53: 107682 (2021).
[12] Chugh B., Sheetal Singh M., Thakur S., Pani B., Singh A.K., Saji V.S., Extracellular Electron Transfer by Pseudomonas Aeruginosa in Biocorrosion: A Review, ACS Biomater. Sci. Eng., 8(3): 1049–1059 (2022).
[13] Thapa B.S., Kim T., Pandit S., Song Y.E., Afsharian Y.P., Rahimnejad M., Kim J.R., Oh S.E., Overview of Electroactive Microorganisms and Electron Transfer Mechanisms in Microbial Electrochemistry, Bioresour. Technol., 347: 126579 (2022).
[14] Lin X., Zheng L., Zhang M., Qin Y., Liu Y., Li H., Li C., Simultaneous Boost of Anodic Electron Transfer and Exoelectrogens Enrichment by Decorating Electrospinning Carbon Nanofibers in Microbial Fuel Cell, Chemosphere., 308: 136434 (2022).
[15] Rhodes Z., Simoska O., Dantanarayana A., Stevenson K.J., Minteer S.D., Using Structure-Function Relationships to Understand the Mechanism of Phenazine-Mediated Extracellular Electron Transfer in Escherichia Coli, Iscience., 24(9): 103033 (2021).
[16] Kashyap D., Dwivedi P. K., Pandey J. K., Kim Y.H., Kim G.M., Sharma A., Goel S., Application of Electrochemical Impedance Spectroscopy in bio-Fuel Cell Characterization: A Review, Int. J. Hydrog. Energy., 39(35): 20159–20170 (2014).
[17] Garner L.E., Thomas A.W., Sumner J.J., Harvey S.P., Bazan G.C., Conjugated Oligoelectrolytes Increase Current Response and Organic Contaminant Removal in Wastewater Microbial Fuel Cells, Energy Environ. Sci., 5(11): 9449–9452 (2012).
[18] Zhao C.E., Chen J., Ding Y., Wang V.B., Bao B., Kjelleberg S., Cao B., Loo S.C.J., Wang L., Huang W., Zhang Q., Chemically Functionalized Conjugated Oligoelectrolyte Nanoparticles for Enhancement of Current Generation in Microbial Fuel Cells, ACS Appl. Mater. Interfaces., 7(26): 14501–14505 (2015).
[19] Hou H., Chen X., Thomas A.W., Catania C., Kirchhofer N.D., Garner L.E., Han A., Bazan G. C., Conjugated Oligoelectrolytes Increase Power Generation in E. Coli Microbial Fuel Cells, Adv. Mater., 25(11): 1593–1597 (2013).
[20] Kumar R., Singh L., Zularisam A.W., Exoelectrogens: Recent Advances in Molecular Drivers Involved in Extracellular Electron Transfer and Strategies Used to Improve it for Microbial Fuel Cell Applications, Renew. Sustain. Energy Rev., 56: 1322–1336 (2016).
[21] Liu J., Hou H., Chen X., Bazan G. C., Kashima H., Logan B.E., Conjugated Oligoelectrolyte Represses Hydrogen Oxidation by Geobacter Sulfurreducens in Microbial Electrolysis Cells, Bioelectrochemistry., 106: 379–382 (2015).
[22] Vickers N.J., Animal Communication: When I’m Calling You, Will You Answer Too?, Curr. Biol., 27(14): R713–R715 (2017).
[23] Kirchhofer N.D., Rengert Z.D., Dahlquist F.W., Nguyen T.Q., Bazan G.C., A Ferrocene-Based Conjugated Oligoelectrolyte Catalyzes Bacterial Electrode Respiration, Chem., 2(2): 240–257 (2017).
[24] Ren L., McCuskey S.R., Moreland A., Bazan G.C., Nguyen T.Q., Tuning Geobacter Sulfurreducens Biofilm with Conjugated Polyelectrolyte for Increased Performance in Bioelectrochemical System, Biosens. Bioelectron., 144: 111630 (2019).
[25] Mayilswamy N., Boney N., Kandasubramanian B., Fabrication and Molecular Dynamics Studies of Layer-by-Layer Polyelectrolytic Films, Eur. Polym. J., 163: 110945 (2022).
[26] Yan H., Catania C., Bazan G.C., Membrane‐Intercalating Conjugated Oligoelectrolytes: Impact on Bioelectrochemical Systems, Adv. Mater., 27(19): 2958–2973 (2015).
[27] Wang V.B., Kirchhofer N.D., Chen X., Tan M.Y.L., Sivakumar K., Cao B., Zhang Q., Kjelleberg S., Bazan G.C., Loo S.C.J., Marsili E., Comparison of Flavins and a Conjugated Oligoelectrolyte in Stimulating Extracellular Electron Transport from Shewanella Oneidensis MR-1, Electrochem. Commun., 41: 55–58 (2014).
[28] Zhang P., Liu J., Qu Y., Li D., He W., Feng Y., Nanomaterials for Facilitating Microbial Extracellular Electron Transfer: Recent Progress and Challenges, Bioelectrochemistry., 123: 190–200 (2018).
[29] Hinks J., Wang Y., Poh W.H., Donose B.C., Thomas A.W., Wuertz S., Loo S. C.J., Bazan G.C., Kjelleberg S., Mu Y., Seviour T., Modeling Cell Membrane Perturbation by Molecules Designed for Transmembrane Electron Transfer, Langmuir., 30: 2429–2440 (2014).
[30] Zarenezhad H., Rezaei A., Aber S., Teimuri-Mofrad R., Enhancing Extracellular Electron Transfer and Power Generation in Microbial Fuel Cell Using a Ferrocene-Based Conjugated Oligoelectrolyte, Fuel., 352: 130271 (2023).
[31] Kirchhofer N.D., Rengert Z.D., Dahlquist F.W., Nguyen T.Q., Bazan G.C., A Ferrocene-Based Conjugated Oligoelectrolyte Catalyzes Bacterial Electrode Respiration. Journal Name., 2(2): 240–257 (2017).
[32] Moghaddam J.A., Parnian M.J., Rowshanzamir S., Preparation, Characterization, and Electrochemical Properties Investigation of Recycled Proton Exchange Membrane for Fuel Cell Applications, Energy., 161: 699–709 (2018).
[33] Benjamin M., Manoj D., Karnan M., Saravanakumar D., Thenmozhi K., Ariga K., Sathish M., Senthilkumar S., Switching the Solubility of Electroactive Ionic Liquids for Designing High Energy Supercapacitor and Low Potential Biosensor, Journal Name., 588: 221–231 (2021).