科学家研发土壤微生物燃料电池,为低功耗应用提供新型能源 科学家发明低成本氢燃料 科学家研发电池材料
admin
2024-02-15 06:03:23
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微生物燃料电池是一种具有 100 多年发展历史的技术。

近期,美国西北大学团队将微生物燃料电池与当前的低功耗电路结合,研发了一种土壤微生物燃料电池(Soil Microbial Fuel Cells,SMFC),能够完全从土壤中的微生物中获取能量,并为传感器、通信、农业等领域提供能源。


那么,土壤的干湿环境对这种新型电池是否有影响呢?据了解,这种新型燃料电池不仅对环境包容度高,相较于其他同类技术,该电池的功率高出 120%。

与传统电池和其他能量收集技术相比,土壤微生物燃料电池具有独特的优势。具体来说,它们有可能完全由可生物降解的材料制成。并且,与压电和热电发电机的性能相比,土壤微生物燃料电池毒性更低、对环境的影响更小。

因此,通过合理的设计和操作,土壤微生物燃料电池能够作为一种实用的电源技术,用于驱动土壤中的计算应用。


图丨比较各种环境能源收集来源,数据显示,由于电子垃圾和毒性以及生产它们所需的矿物而造成的危险(来源:Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies)

一方面,该技术在环境监测方面具有潜在的应用潜力,通过在土壤中部署,可实时监测环境并采集数据,例如生态系统雨水管理和环境保护等。

另一方面,该技术有望为绿色基础设施和精确农业提供独立的新型能源,用于无线传感器网络、土壤湿度监测等,助力实现精准农业并提高产量。


图丨土壤微生物燃料电池(来源:)

此外,该技术还有望实现无线传感器网络的可持续供电。“我们希望在整个城市安装大量的传感器,以实现数据驱动的政策决策。”该论文第一作者、西北大学本科毕业生(Bill Yen,现为斯坦福大学博士研究生)说。

然而,这些设备仅限于拥有可靠电源的地区,例如靠近交通灯的可接入电网,这使得对雨水管理非常重要的绿色基础设施远离智能技术。

实际上,让太阳能电池板在沼泽状的环境中工作非常困难,因为它们很快就会被泥土覆盖,最终电池的电力会被耗尽。绿色基础设施和湿地不可访问的问题,也使得可回收变得不切实际,这也许会导致大量的有毒电子垃圾被埋在自然环境中。


图丨土壤微生物燃料电池的迭代设计过程,以可持续的、土壤动力的分布式传感器网络的愿景,为未来的研究人员提供生产和改进土壤微生物燃料电池原型和方法(来源:Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies)

该研究的重点在于改进土壤微生物燃料电池的设计,使它们在低湿度条件下也能够稳定地工作,并从土壤的微生物中获得能量。该电池或可作为一种可再生能源,在传统电池和太阳能电池板不足的条件下,具有生物相容性和可行性。

表示:“我们从环境工程中寻找潜在的解决方案,并利用土壤微生物燃料电池作为清洁能源,来代替传统电池和太阳能电池。”

图丨相关论文(来源:Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies)

近日,相关论文以《土壤驱动计算:工程师的实用土壤微生物燃料电池设计指南》()为题发表在 Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies[1]。

为论文第一作者,西北大学乔治·威尔斯()副教授、美国佐治亚理工学院副教授乔赛亚·赫斯特()为论文共同通讯作者。

审稿人认为,使用土壤作为传感器能源的具有发展前景,并且该研究和开源设计将作为新兴主题,是很好的示例和总结。


图丨颜士能(Bill Yen)(来源:)

据介绍,该研究始于美国的 COVID-19 大流行时期,因此涉及到购买材料、制造设备,甚至在实验室里与其他课题组成员见面都非常困难。“我记得当大学禁止本科生进入时,我还曾试图在家里的地下室进行实验。”回忆道。

从那以后,他陆续见到了这篇论文的所有合作者,他们来自美国乔治亚州及加州等四所不同的大学,并鼓励在毕业后攻读博士学位,继续推进可持续电子学领域。

目前,是斯坦福大学电气工程专业一年级的博士生,研究方向为低功耗传感和无线通信。

该课题组未来研究方向之一,是将使整个设备(燃料电池和电子设备)可降解化,以避免产生电子垃圾,同时将现有的基础设施智能化。

“目前,我们已公开发布所有的设计、模拟软件和开源软件。希望通过这项研究,让更多的研究者积极探索土壤微生物燃料电池作为能源的可能性。”说道。


参考资料:

1.Bill Yen et al. Soil-Powered Computing: The Engineer』s Guide to Practical Soil Microbial Fuel Cell Design.Proceedings of the ACM on Interactive, Mobile, Wearable and Ubiquitous Technologies 7,4,196,1–40 https://doi.org/10.1145/3631410

排版:刘雅坤


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