Бактерии, способные на внеклеточный транспорт электронов, в англоязычной литературе объединяют под общим наименованием exoelectrogens. На их основе исследователи строят приборы, в которых идут разные электрохимические реакции.

Китайские исследователи построили экспериментальный аппарат, в котором колония микроорганизмов вырабатывает водород из ацетатов. При этом, что важно, устройству не требуется никакого внешнего электропитания.

Данная работа интересна тем, что в качестве сырья применяется группа соединений, относительно дешёвых и широко распространённых в химической (и не только) промышленности. Если полномасштабная установка на новом принципе окажется рентабельной, это может открыть альтернативный путь для массовой выработки водорода. К примеру — для использования его в качестве топлива "зелёных" автомобилей, получаемого из недорогого и доступного сырья, химических отходов в том числе.

Новая система отталкивается от двух давно известных учёным типов приборов: микробных топливных элементов (MFC) и микробных электролизных ячеек (MEC). В первых бактерии потребляют какое-либо органическое топливо, выдавая на выходе электрический ток, а во вторых бактерии при содействии внешнего источника напряжения разлагают сложные вещества на простые (водород, к примеру).

О том, как устроены некоторые из представителей данных систем, вы можете узнать здесь, тут и вот тут. Впрочем, детали конструкции, материалы электродов, сообщества бактерий и так далее — могут быть разными.

Особый интерес вызывает именно способность микроорганизмов выдавать "на-гора" H2. Но тут экспериментаторы сталкиваются с кучей проблем, выливающихся в невысокую производительность установок в расчёте на потраченную извне энергию.

Группа учёных из Китайского университета науки и технологии (University of Science & Technology of China), а также — нескольких других исследовательских центров и институтов Поднебесной изящно обошла эти трудности, замкнув электрическими цепями и трубопроводами друг на друга специально разработанные MFC и MEC.

Красота установки заключается ещё и в том, что одно и то же вещество (ацетат) в MFC работает как топливо, для получения тока, а в MEC — как сырьё для синтеза водорода. При этом MFC полностью обеспечивает потребности MEC в электричестве.

В анодной камере последнего "мини-реактора" бактерии разлагают ацетат при помощи ряда метаболических реакций, выпуская углекислый газ. При этом образуются ионы водорода, которые мигрируют через мембрану. На катоде MEC они объединяются с электронами, пришедшими с анода MFC (на котором идёт аналогичная реакция разложения органики), что и даёт чистый водород.

Протоны же с топливного элемента, пройдя через свою мембрану, соединяются с кислородом воздуха, порождая воду. Так достигается полный баланс по атомам.

На схеме нового генератора водорода показаны его основные части: 1 – микробный топливный элемент; 2 – микробная электролизная ячейка. Камеры каждого из двух приборов разделены протонообменной мембраной. Колонии бактерий живут на анодах каждого из блоков (иллюстрация ACS).

Китайские специалисты особо подчёркивают, что напряжение холостого хода микробного топливного элемента на ацетатах составляет 0,8 вольта. В то же время для проведения электролиза ацетата с выработкой водорода нужно обеспечить микроорганизмы напряжением 0,14 вольта (в теории) и 0,6 вольта, если учесть все потери в установке и желаемую высокую производительность.

Как видим, баланс соблюдается и тут.

Авторы проекта утверждают, что впервые MFC и MEC были объединены в одну установку, которая на практике показала способность генерировать водород на месте. При этом эффективность опытного прибора китайцы оценили высоко.

Тем не менее они намерены ещё поработать над параметрами электродов и мембран, чтобы дальше повысить отдачу прибора.

А описание нынешнего варианта генератора водорода исследователи поместили в журнале Environmental Science & Technology.