電気化学インピーダンス分光法を使用した微生物燃料電池性能の長期的な変化の理解

アノード微生物コンソーシアムの濃縮中のアノード、カソード、および溶液/膜インピーダンスの変化は、電気化学インピーダンス分光法を使用して測定されました。コンソーシアムは、エアカソードに結合されたコンパクトなフロースルーの多孔質電極チャンバーに濃縮されました。アノードインピーダンスは、最初の43日間で最初に296.1から36.3オメガに減少し、エクスエレクトロゲン性バイオフィルム形成を示しました。MFCの外部負荷は、さらなる濃縮を可能にするために段階的に減少しました。50オメガの最終荷重でのMFC操作は、アノードインピーダンスを1.4オメガに減少させ、対応するカソードと膜/溶液インピーダンスはそれぞれ12.1および3.0オメガのインピーダンスを備えています。容量性要素の分析により、3次元のアノード表面のほとんどが生体電気化学反応に関与していることが示唆されました。3か月の手術後に安定化し、次の3か月間422 +/- 42 MW/m（2）（33 W/m（3））にとどまり、エアカトーデMFCの電力密度が安定しました。MFCの正規化されたアノードインピーダンスは0.017コメガcm（2）であり、以前に報告された28倍の減少でした。この研究は、MFCの電子移動抵抗を減らすための生物学的系のユニークな能力と、長期にわたって安定したエネルギー生産の可能性を示しています。

Changes in the anode, cathode, and solution/membrane impedances during enrichment of an anode microbial consortium were measured using electrochemical impedance spectroscopy. The consortium was enriched in a compact, flow-through porous electrode chamber coupled to an air-cathode. The anode impedance initially decreased from 296.1 to 36.3 Omega in the first 43 days indicating exoelectrogenic biofilm formation. The external load on the MFC was decreased in a stepwise manner to allow further enrichment. MFC operation at a final load of 50 Omega decreased the anode impedance to 1.4 Omega, with a corresponding cathode and membrane/solution impedance of 12.1 and 3.0 Omega, respectively. An analysis of the capacitive element suggested that most of the three-dimensional anode surface was participating in the bioelectrochemical reaction. The power density of the air-cathode MFC stabilized after 3 months of operation and stayed at 422 +/- 42 mW/m(2) (33 W/m(3)) for the next 3 months. The normalized anode impedance for the MFC was 0.017 kOmega cm(2), a 28-fold reduction over that reported previously. This study demonstrates a unique ability of biological systems to reduce the electron transfer resistance in MFCs, and their potential for stable energy production over extended periods of time.