Pin nhiên liệu vi sinh vật

Pin từ vi khuẩn

TS Hồ Tú Cường cho biết, pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) - một dạng hệ thống điện sinh học - có khả năng chuyển năng lượng hóa học có trong chất hữu cơ thành năng lượng điện nhờ hoạt tính xúc tác của vi sinh vật.

Thông thường, một pin nhiên liệu vi sinh vật điển hình sẽ có cấu tạo gồm bốn phần: Anot (cực âm), catot (cực dương), màng bán thấm (thường là màng trao đổi proton) và một mạch điện ngoài (các dây dẫn).

Các vi khuẩn ở cực âm sẽ có nhiệm vụ tiêu thụ các chất hữu cơ và sinh ra electron. Sau đó các electron này sẽ đi theo mạch điện ngoài, đồng thời các proton sẽ đi qua màng ngăn, để đến cực dương và sinh ra các phản ứng điện hóa (như phản ứng khử điện hóa oxy hoặc khử điện hóa trực tiếp các ion kim loại) và kết thúc chu trình truyền điện tử của một pin nhiên liệu vi sinh vật truyền thống.

Hệ thống điện sinh học mới của nhóm TS Hồ Tú Cường có cách thiết kế và vận hành hoàn toàn khác biệt. Cụ thể, theo sáng chế này, khoang catot và khoang anot sẽ được tạo riêng biệt và giữa hai khoang này không có màng trao đổi ion.

Đồng thời, ở hai khoang sẽ không sử dụng hai điện cực riêng biệt để làm catot và anot như các hệ thống đã biết, mà sử dụng chung một điện cực than chì với hai đầu được bố trí trong mỗi khoang để tạo thành cực catot và cực anot tương ứng. Và hệ thống này không có dây dẫn điện bên ngoài.

Năm 2012, sau nhiều năm nghiên cứu hệ thống điện sinh học, TS Cường bắt đầu nảy ra những câu hỏi và bài toán khác nhau đối với hệ thống MFC.

Có kinh nghiệm nghiên cứu cũng như tìm đọc nhiều tài liệu trước đây về vi khuẩn Shewanella - một vi khuẩn hay được dùng làm tác nhân sinh học vận hành hệ thống điện MFC, anh nhận thấy vi khuẩn Shewanella thường sẽ bám vào trên bề mặt điện cực than chì hoặc bề mặt rắn khác để truyền điện tử.

“Vi khuẩn này có thể truyền điện tử ra ngoài, nhưng làm thế nào để có thể “dẫn” điện tử đó sang phía bên kia và truyền trực tiếp?”, anh băn khoăn.

“Khi làm nghiên cứu, mình mới phát hiện ra, bản thân dây dẫn bên ngoài cũng có thể góp phần tạo ra phản ứng oxi hóa khử. Vậy câu hỏi lý thuyết là: Phản ứng oxi hóa khử trong hệ thống điện này là do vi khuẩn hay do dây dẫn? Nếu bây giờ mình bỏ dây dẫn đi mà hệ thống điện vẫn phản ứng thì sẽ chứng minh được vi khuẩn truyền điện tử trực tiếp ra bên ngoài mà không cần dây dẫn nữa, chỉ cần thông qua điện cực than chì thôi”, TS Cường chia sẻ.

Điều này sẽ không chỉ có ý nghĩa về lý thuyết khi trực tiếp chứng minh được khả năng truyền điện tử ra bên ngoài của vi khuẩn, mà còn có thể được ứng dụng trong tương lai để cải thiện các vấn đề của hệ thống MFC truyền thống có dây dẫn (ví dụ như nguy cơ chập điện khi các dây dẫn ở mạch điện ngoài tiếp xúc với nước thải hoặc chất phản ứng).

Nhiều tiềm năng ứng dụng

Với kết cấu điện cực và thiết kế mới, hệ thống điện của nhóm TS Cường không chỉ có thể dễ dàng chế tạo với những vật liệu sẵn có, chi phí thấp; mà còn không cần đến mạch điện ngoài do điện cực đã đóng vai trò như một mạch điện trong, nhờ đó tiết kiệm chi phí dây dẫn.

Đồng thời, cũng do không sử dụng dây dẫn, hệ thống điện do nhóm sáng chế sẽ cho dòng điện thấp dưới ngưỡng đo, nhờ đó sẽ có khả năng tạo ra các vật liệu nano có kích thước rất nhỏ.

Sau khi đã chứng minh được hệ thống điện sinh học mới này thực sự hoạt động, nó sẽ có tiềm năng ứng dụng như thế nào? “Hệ thống có thể được sử dụng để vừa xử lý được chất ô nhiễm hữu cơ, vừa tái sử dụng, tạo ra được sản phẩm có ích, chẳng hạn như xử lý kim loại nặng trong nước, chuyển hóa các kim loại nặng thành các vật liệu có thể sử dụng trong nông nghiệp như phân bón hay ion đồng để trừ sâu”, TS Cường cho hay.

Nhóm nghiên cứu của anh cũng đã thử nghiệm hệ thống này để tổng hợp các vật liệu như nano cadmi sulfide, seleni, bạc, đồng... Kết quả cho thấy, hệ thống có thể tổng hợp được những vật liệu với kích thước rất nhỏ và tinh khiết.

Chẳng hạn như với seleni, nhóm của TS Cường đã tổng hợp và tách hoàn toàn được các hạt nano seleni sạch khỏi tế bào vi khuẩn trong hệ thống điện sinh học với kích thước 30 - 60 nm. Các hạt này có thể được sử dụng để thử nghiệm với các hoạt động kháng khuẩn trong y tế.

Dù có nhiều tiềm năng, song theo TS Cường, nghiên cứu này mới ở bước đầu và chủ yếu mang đến những đóng góp về mặt lý thuyết đối với khả năng truyền điện tử của vi khuẩn ra bên ngoài. Để có thể ứng dụng tốt hơn trong tương lai, anh cho rằng sẽ cần phải tối ưu hóa từ hiệu suất truyền điện tử cho đến cơ chế, nguyên vật liệu.

Sắp tới, nhóm nghiên cứu sẽ không chỉ làm với một chủng vi khuẩn đơn lẻ nữa mà có thể là cả một hệ vi sinh vật. Để tạo ra công nghệ có chi phí thấp, khả năng ứng dụng cao, nhóm sẽ cần nhiều điều kiện thử nghiệm hơn để tạo ra các ứng dụng trên vật liệu rộng rãi hơn.