研究人员开发人类肠道启发的细菌电池，测试期间维持 0.75 伏特输出 14 小时

位于宾汉顿大学的研究人员开发了一款受人类小肠启发的细菌驱动电池，该电池在测试期间保持约 0.75 伏特的输出，持续时间达 14 小时。该装置采用灵活的、类似手指的结构，灵感来源于肠绒毛，旨在提供更多空间让细菌生长，同时改善营养物质的传递和废物的排除。这些微小的突起通常帮助肠道吸收营养，有助于提高使用形成孢子的细菌进行发电的模型。研究团队利用灵活的聚合物水凝胶制造这些结构，并在其中嵌入了芽孢杆菌。

这些结构作为电池的阳极，细菌的活性有助于发电。团队表示，这项技术最终可安装在废水管道中，利用有机废物作为营养来源，为低功耗装置产生电力。

细菌电池的工作原理

细菌驱动电池通过利用微生物的代谢活动来生成电力。然而，它们的性能部分取决于细菌接受营养和排放废物的有效性。传统的二维电极为细菌生长提供的表面积有限。多孔材料虽然提供了额外的空间，但随着细菌形成生物膜而可能变得堵塞，限制了营养物质和废物的移动。“多孔结构容易受到生物膜形成的影响，因此我们在营养传递、废物积聚或生物膜生长不均等方面遇到许多问题，”宾汉顿大学电气与计算机工程教授崔锡勋表示。

为了解决这些问题，崔教授及其博士研究生张若涵和王博天转向小肠的结构。肠绒毛提供了较大的表面积，同时允许营养物质在相对较短的距离内移动。研究人员试图在灵活的电池电极中重现这些优势。

未来的应用与挑战

他们从一种常用于生物医学应用的聚合物水凝胶中创造出手指状的突起。这种材料使他们能够建造三维结构，能够容纳细菌遍布整个电极。含细菌的结构形成阳极，而改良的碳布阴极则位于离子交换膜的对侧。这些组件共同作用，使装置能够在细菌代谢营养物质时产生电力。研究人员设想将未来版本的生物电池放置在废水管道中，让微生物利用水中有机物作为燃料。“我们可以将这个生物电池放在废水管道中，因为它可以轻松与周围环境整合，”崔教授表示。

灵活的水凝胶可以使电池适应不同的管道形状和大小。这类系统最终可能为小型传感器提供电力，而无需传统电池。

然而，该研究仍处于早期阶段。报告中的电压是在持续供应营养介质的情况下维持的，团队尚未展示该系统在废水管道内运行的情况。研究人员还希望通过单步印刷过程简化制造，从而使结构更易于大规模生产。另一个目标是改善细菌在装置内的分布。在人类肠道中，微生物主要集中在靠近肠绒毛表面的黏液层中。目前的设计则是在整个水凝胶中嵌入细菌。未来的工作将探讨是否重现更多肠道的物理和化学条件能够帮助维持细菌的活性并改善性能。

相关研究成果已发表在《Small》期刊上。

细菌电池的潜在应用与发展方向

细菌驱动电池的开发展示了生物技术在能源领域的潜力，特别是在利用废水中的有机物生成电力方面。这种技术不仅可为低功耗装置提供持续电力，还可减少传统电池的环境影响。然而，该技术目前仍面临挑战，包括细菌的有效分布和生物膜的形成问题。未来的研究将重点放在如何优化这些因素，以提高电池性能并推动其商业化应用。