Perangkat baru yang hanya menggunakan sinar matahari dan air limbah untuk menghasilkan gas hidrogen dapat menyediakan sumber energi yang berkelanjutan.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Yat Li, profesor kimia di University of California, Santa Cruz, mengembangkan perangkat mikroba surya dan melaporkan hasilnya dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal American Chemical Society ACS Nano. Perangkat hibrida menggabungkan sel bahan bakar mikroba (MFC) dan jenis sel surya yang disebut sel fotoelektrokimia (PEC). Dalam komponen MFC, bakteri mendegradasi bahan organik dalam air limbah, menghasilkan listrik dalam proses tersebut. Listrik yang dihasilkan secara biologis dikirim ke komponen PEC untuk membantu pemisahan air bertenaga surya (elektrolisis) yang menghasilkan hidrogen dan oksigen.
Matahari terbit pertama musim gugur oleh teman kami Mary C. Cox di North Carolina.
Perangkat PEC atau MFC dapat digunakan sendiri untuk menghasilkan gas hidrogen. Namun keduanya membutuhkan voltase tambahan kecil ("bias eksternal") untuk mengatasi penghalang energi termodinamika untuk reduksi proton menjadi gas hidrogen. Kebutuhan untuk memasukkan elemen tenaga listrik tambahan menambah biaya dan kerumitan jenis perangkat konversi energi ini, terutama pada skala besar. Sebagai perbandingan, perangkat hybrid mikroba-mikroba Li bersifat mandiri dan mandiri, karena energi gabungan dari bahan organik (dipanen oleh MFC) dan sinar matahari (ditangkap oleh PEC) cukup untuk mendorong elektrolisis air.
Akibatnya, komponen MFC dapat dianggap sebagai "bio-baterai" mandiri yang menyediakan tegangan dan energi ekstra untuk PEC untuk pembangkit gas hidrogen. "Satu-satunya sumber energi adalah air limbah dan sinar matahari," kata Li. "Demonstrasi yang berhasil dari perangkat mikroba yang bias dan berkelanjutan untuk pembangkitan hidrogen dapat memberikan solusi baru yang secara bersamaan dapat mengatasi kebutuhan untuk pengolahan air limbah dan meningkatnya permintaan untuk energi bersih."
Sel bahan bakar mikroba mengandalkan bakteri yang tidak biasa, yang dikenal sebagai bakteri elektrogenik, yang mampu menghasilkan listrik dengan mentransfer elektron yang dihasilkan secara metabolik melintasi membran sel mereka ke elektroda eksternal. Kelompok Li berkolaborasi dengan para peneliti di Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) yang telah mempelajari bakteri elektrogenik dan bekerja untuk meningkatkan kinerja MFC. Tes "proof-of-concept" awal dari perangkat surya-mikroba (PEC-MFC) menggunakan strain bakteri elektrogenik yang dipelajari dengan baik yang ditanam di laboratorium pada media pertumbuhan buatan. Tes selanjutnya menggunakan air limbah kota yang tidak diolah dari Livermore Water Reclamation Plant. Air limbah mengandung nutrisi organik yang kaya dan campuran beragam mikroba yang memakan nutrisi tersebut, termasuk strain bakteri elektrogenik yang muncul secara alami.
Perangkat surya-mikroba baru untuk menghasilkan bahan bakar hidrogen. Foto oleh Song Yang
Ketika diberi makan dengan air limbah dan diterangi dalam simulator surya, perangkat PEC-MFC menunjukkan produksi gas hidrogen yang berkelanjutan pada tingkat rata-rata 0,05 m3 / hari, menurut peneliti LLNL dan rekan penulisnya Fang Qian. Pada saat yang sama, air limbah hitam keruh menjadi lebih jelas. Permintaan oksigen kimia terlarut - ukuran jumlah senyawa organik dalam air, banyak digunakan sebagai tes kualitas air - turun 67 persen selama 48 jam.
Para peneliti juga mencatat bahwa generasi hidrogen menurun dari waktu ke waktu karena bakteri menggunakan bahan organik dalam air limbah. Pengisian kembali air limbah di setiap siklus pemberian makan menyebabkan pemulihan lengkap pembangkit listrik saat ini dan produksi gas hidrogen.
Qian mengatakan para peneliti optimis tentang potensi komersial untuk penemuan mereka. Saat ini mereka berencana untuk meningkatkan perangkat laboratorium kecil untuk membuat prototipe 40 liter yang lebih besar terus diberi makan dengan air limbah kota. Jika hasil dari prototipe 40 liter menjanjikan, mereka akan menguji perangkat di situs di pabrik pengolahan air limbah.
"MFC akan diintegrasikan dengan pipa yang ada di pabrik untuk pemberian air limbah berkelanjutan, dan PEC akan didirikan di luar ruangan untuk menerima penerangan matahari alami," kata Qian.
"Untungnya, Negara Emas diberkati dengan sinar matahari yang melimpah yang dapat digunakan untuk uji lapangan," tambah Li.
Melalui UC Santa Cruz