Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок
Проведено електронно-мікроскопічне дослідження стану (розподілення за розмірами та елементний склад) наночастинок на основі Fe і Fe–Со на поверхні вуглецевого волокна, нанесених з колоїдних розчинів, хімічним осадженням і безпосереднім диспергуванням у плазмі. Досліджено роботу модифікованих наночас...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Datum: | 2018 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2018
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166991 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок / О.І. Білий, О.В. Іщенко, В.Е. Діюк, Л.Д. Кістерська, О.Б. Логінова, В.М. Ткач // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 3. — С. 46-55. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859859244484919296 |
|---|---|
| author | Білий, О.І. Іщенко, О.В. Діюк, В.Е. Кістерська, Л.Д. Логінова, О.Б. Ткач, В.М. |
| author_facet | Білий, О.І. Іщенко, О.В. Діюк, В.Е. Кістерська, Л.Д. Логінова, О.Б. Ткач, В.М. |
| citation_txt | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок / О.І. Білий, О.В. Іщенко, В.Е. Діюк, Л.Д. Кістерська, О.Б. Логінова, В.М. Ткач // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 3. — С. 46-55. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Проведено електронно-мікроскопічне дослідження стану (розподілення за розмірами та елементний склад) наночастинок на основі Fe і Fe–Со на поверхні вуглецевого волокна, нанесених з колоїдних розчинів, хімічним осадженням і безпосереднім диспергуванням у плазмі. Досліджено роботу модифікованих наночастинками металів вуглецевих волокон як анодів у лабораторній двокамерній мікробно-анодній комірці паливного елемента на основі бактерій Desulfuromonas acetoxidans. Доведено доцільність практичного використання в анодах мікробних паливних комірок наночастинок Fe.
Проведено электронно-микроскопическое исследование состояния (распределения по размерам и элементный состав) наночастиц Fe и Fe–Со на поверхности углеродного волокна, нанесенных из коллоидных растворов, химическим осаждением и непосредственным диспергированием в плазме. Исследована работа модифицированных наночастицами металлов углеродных волокон в качестве анодов в лабораторной двухкамерной микробно-анодной ячейке топливного элемента на основе бактерий Desulfuromonas acetoxidans. Доказана целесообразность практического использования в анодах микробных топливных ячеек наночастиц Fe.
Electron-microscopic study of the state (size distribution and the elemental composition) of nanoparticles based on Fe and Fe–Co on the surface of the carbon fiber (CF) deposited from colloidal solution, by the chemical deposition and direct dispersion in plasma. The work of the carbon fiber modified by nanoparticles of metals of carbon fibers as anodes in the laboratory two-chamber microbial–anodic cell of the fuel element based on the bacterium Desulfuromonas acetoxidans was studied. The expediency of the practical use in anodes of microbial fuel cells of nanoparticles Fe was proved.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:45:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
stmj.org.ua 46
УДК 544.7:661.872
О. І. Білий1, О. В. Іщенко2, В. Е. Діюк2, Л. Д. Кістерська3,
О. Б. Логінова3, В. М. Ткач3
1Львівський національний університет ім. Івана Франка,
м. Львів, Україна
2Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,
м. Київ, Україна
3Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України,
м. Київ, Україна
*pol@ism.kiev.ua
Модифікування наночастинками металів
вуглецевої тканини для мікробних паливних
комірок
Проведено електронно-мікроскопічне дослідження стану (роз-
поділення за розмірами та елементний склад) наночастинок на основі Fe і Fe–Со
на поверхні вуглецевого волокна, нанесених з колоїдних розчинів, хімічним оса-
дженням і безпосереднім диспергуванням у плазмі. Досліджено роботу модифі-
кованих наночастинками металів вуглецевих волокон як анодів у лабораторній
двокамерній мікробно-анодній комірці паливного елемента на основі бактерій
Desulfuromonas acetoxidans. Доведено доцільність практичного використання в
анодах мікробних паливних комірок наночастинок Fe.
Ключові слова: наночастинки Fe і Fe–Со, модифіковані вуглеце-
ві волокна, мікробна паливна комірка.
ВСТУП
Мікробна паливна комірка (МПК) є пристроем, який перетво-
рює хімічну енергію в електричну за допомогою каталітичної реакції мікро-
організмів [1–10]. Цей екологічно чистий процес дозволяє здійснювати утилі-
зацію харчових і сільськогосподарських рослинних відходів для отримання
чистої електроенергії (або водню) і води. В даний час МПК використовують
для виробництва електроенергії і одночасного очищення стічних вод, виробни-
цтва водню для паливних елементів, опріснення морської води, забезпечення
стійких джерел енергії. Для роботи МПК може бути використано практично
будь-яку органічну речовину, здатну до біологічного розкладання, зокрема
кислоти, вуглеводи, білки, спирти і навіть відносно стійкі матеріали, такі як
целюлоза. МПК “виробляють” електрику без виділення діоксиду вуглецю та
інших забруднювачів атмосфери, що відбувається при спалюванні викопних
видів палива, при цьому характеризуються значно більш високою ефективні-
стю перетворення енергії (теоретично їх енергоефективність вища за 50 %),
ніж стандартні двигуни внутрішнього згоряння, коефіцієнт корисної дії яких
обмежений згідно циклу Карно. Наприклад, одержання водню у паливному
елементі у 8 разів більш продуктивно, ніж за звичайними технологіями виро-
бництва водню [7].
© О. І. БІЛИЙ, О. В. ІЩЕНКО, В. Е. ДІЮК, Л. Д. КІСТЕРСЬКА, О. Б. ЛОГІНОВА, В. М. ТКАЧ, 2018
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 47
Використання мікроорганізмів для виробництва електроенергії дозволяє
реалізувати безперервний процес – бактерії самі себе відтворюють, тому про-
довжують “виробляти” електрику доки існує джерело їх живлення. Певним
недоліком МПК є те, що вони можуть діяти тільки в м’яких умовах – при
температурі 20–40 °С, а також при значеннях рН середовища близьких до 7.
Ключові фактори для оптимального “виробництва” електрики за допомогою
МПК – температура, відбір штамів мікроорганізмів, щільність клітин, конце-
нтрація субстрату і метаболітів, добре вивчені. На даний час вчені працюють
над тим, щоб оптимізувати типи і комбінації бактерій і шляхи перенесення
електрона в МПК.
Для того, щоб використовувати колонії бактерій для генерації електрики,
потрібно зрозуміти, як бактерії транспортують електрони в зовнішнє середо-
вище. На даний час достовірно описано механізм внутрішньоклітинного тра-
нспорту електронів через клітинну оболонку у зовнішнє середовище для двох
типів залізо-дихаючих анаеробних бактерійних клітин Shewanella oneidensis
та Geobacter sulfurreducens, який відбувається через білкові комплекси цито-
хроми MtrF, що сформовані на зовнішній стороні бактерійної мембрани і
містять гем – сполуку протопорфірину з двовалентним залізом [11, 12]. Ви-
ходячи з отриманих даних, можна очікувати, що роботу МПК можна оптимі-
зувати підбором електродів шляхом нанесення на них електропровідних плі-
вок на основі заліза. Ось чому в біологічній сфері зростає інтерес до наночас-
тинок металів.
Наночастинки здатні взаємодіяти з мікроорганізмами навіть при дуже низь-
ких концентраціях. З одного боку, наночастинки Ag, Cu, Au виявляють анти-
мікробну активність при близькому контакті з мікроорганізмами, з іншого
боку, деякі мікроорганізми можуть використовувати здатність наночастинок
більш ефективно передавати електрони акцепторам, особливо в анаеробному
середовищі. Так, в [13] інкапсульовані наночастинки Pd, Ag, Fe і Cu було
тестовано у процесі виробництва біоводню за допомогою Clostridium
butyricum. Наночастики Fe показали збільшення виходу біоводню на 113 % зі
збереженням метаболічного шляху.
Підвищити ефективність роботи мікробних паливних комірок можна та-
кож шляхом вдосконалення електродних матеріалів, зокрема анода, за яким
електрони через зовнішнє коло надходять у джерело навантаження. Тради-
ційно для анода широко використовують такі матеріали, як гранули графіту,
вуглецевий папір, вуглецева тканина і т. д. Застосування вуглецевих електро-
дів для мікробних паливних комірок обумовлено їх дешевизною і можли-
вістю використовувати в різних поживних середовищах для мікроорганізмів
різного походження. Склад текстильних вуглецевих волокон є біосумісним із
мікроорганізмами, що повинно сприяти ефективному транспортуванню і
внутрішній колонізації вуглецевого волокна різноманітною мікрофлорою з
утворенням біоплівок бактерій. Поєднання високої провідності анодів із вуг-
лецевого волокна з їх модифікуванням наночастинками металів, які беруть
участь в процесах дихання анаеробних бактерій, повинно збільшити кількість
додаткових електронів у зовнішньому електричному колі і підвищити ефек-
тивність роботи комірки. Тому створення нових електродних матеріалів для
біоенергетики на основі об’ємних модифікованих вуглецевих структур, що
дозволяють здійснювати утилізацію харчових і сільськогосподарських рос-
линних відходів для отримання чистої електроенергії та води, є актуальним
завданням.
stmj.org.ua 48
Мета роботи – оцінити ефективність нових електродних матеріалів для
генерації електричного струму на основі біоплівок бактерій Desulfuromonas
acetoxidans, наявних на вуглецевих тканинах, модифікованих наночастинка-
ми металів.
Для виконання поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:
– розробити методи нанесення наночастинок металів на поверхню вугле-
цевого волокна;
– дослідити модифіковану наночастинками поверхню вуглецевого волок-
на методами растрової електронної мікроскопії та рентгеноспектрального
мікроаналізу;
– оцінити ефективність роботи електродних матеріалів у лабораторній мі-
кробній паливній комірці.
ОБ’ЄКТИ Й МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
У даній роботі як електродний матеріал використовували вуглецеву текстуро-
вану тканину виробництва Інституту проблем матеріалознавства ім. І. М. Фран-
цевича НАН України [14], для модифікування було обрано залізо та кобальт.
Вихідне вуглецеве волокно (ВВ) має питому поверхню 0,001 м2/г. На
жаль, суттєво збільшити питому поверхню вуглецевої тканини не вдалось – в
результаті термічної обробки в аргоні при температурі 500 °С протягом 2 год
одержано волокно з питомою поверхнею лише 0,3 м2/г. Малі значення пито-
мої поверхні вуглецевої тканини ускладнили процес нанесення наночастинок,
тому було запропоновано, поряд з нанесенням наночастинок заліза адсорбці-
єю з колоїдного розчину, також наносити їх методами хімічного осадження
та безпосереднього диспергування у плазмовому потоці.
Формування наночастинок Fe–Co на поверхні ВВ методом хімічного оса-
дження включало такі стадії:
– на зразки вуглецевого волокна, яке пройшло стадію термічної обробки в
аргоні, наносили розчини нітратів заліза й кобальту в кількості, що відповідає
5, 10 і 15 %∗, у перерахунку на метали, співвідношення Fe:Co у розчинах ніт-
ратів складало 85:15;
– зразки з нанесеними нітратами заліза й кобальту – (ВВ–5(FeCo)NO3,
ВВ–10(FeCo)NO3 і ВВ–15(FeCo)NO3), висушували при 100–120 °С на повітрі
протягом 6 год;
– далі зразки відновлювали в газовій суміші Н2–Ar при 450 °С.
В результаті було одержано зразки ВВ–5FeCo, ВВ–10FeCo і ВВ–15FeCo.
Зразки ВВ з наночастинками заліза отримували диспергуванням у плазмо-
вому потоці (ВВ–Fe ДПП) й адсорбцією з колоїдного розчину за допомогою
розробленого в Інституті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України
комбінованого “мокро-сухого” методу диспергування металевого катоду
локалізованим тліючим розрядом у вакуумі [15]. Метод дозволяє наносити
наночастинки електропровідних матеріалів на тверді поверхні різної фізико-
хімічної природи або в єдиному технологічному циклі цим же потоком ім-
плантувати їх у обрану основу (рідину) і виробляти висококонцентровані
(1000 мг/л і вище) колоїдні розчини металів.
Візуалізація, підрахунок кількості й визначення розміру наночастинок за-
ліза в виготовлених колоїдних розчинах проводили методом аналізу траєк-
торій наночастинок на приладі Malvern NanoSight NS300 (“МАЛВЕРН
Instruments”, Великобританія), якій було обладнано лазером з довжиною хви-
∗ Тут і далі склад речовин наведено в % (за масою).
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 49
лі 405 нм. За даними аналізу, середній розмір наночастинок у колоїдному
розчині складав 70 нм з широким розподілом за розмірами в діапазоні від
∼ 50 до 500 нм. Слід зауважити, що концентрацію частинок в меншому діапа-
зоні, виміряну цим методом, достовірно оцінити неможливо. Для зразків, які
мають більш низькі властивості розсіювання (тьмяні частинки), межа вияв-
лення складає ~ 30–50 нм. Більші частинки розсіюють набагато більше світла,
тому шаблон може маскувати сигнал від більш дрібних наночастинок.
Розподіл і розміри частинок металів на поверхні вуглецевого волокна ви-
вчали методами растрової електронної мікроскопії і рентгеноспектрального
мікроаналізу з програмно-цифровою обробкою зображення за допомогою
растрового електронного мікроскопу Zeiss EVO 50 XVP (“Carl Zeiss”, Німеч-
чина) з роздільною здатністю до 2 нм і можливістю роботи при низькому
вакуумі. Мікроскоп укомплектовано енергодисперсійним аналізатором рент-
генівських спектрів INCA Pente FETx3 для елементного аналізу з похибкою
~ 0,1 % і системою HKL Channel 5 (“OXFORD Instruments Analytical”, Вели-
кобритания) для дифракції електронів з локальної ділянки більше 10 нм.
Об’єктом дослідження були штами сірковідновлювальних бактерій
Desulfuromonas acetoxidans IМВ В-7384, що було виділено з озера у Яво-
рівському районі (Львівська область, Україна). Штами очищали на кафедрі
мікробіології Львівського національного університету ім. Івана Франка.
Desulfuromonas acetoxidans є паличкоподібними, грамнегативними бакте-
ріями, які живуть переважно у морських відкладеннях, хоча здатні вижити і в
умовах прісної води. Цей вид є строгим анаеробом, який для отримання енер-
гії використовує різні донори електронів, такі як ацетат-іони, етанол, пропа-
нол і бутанол. Cірка є кінцевим акцептором електронів і відновлюється бак-
теріями роду Desulfuromonas до гідроген сульфіду. Desulfuromonas aceto-
xidans – це перший описаний морський мікроорганізм, який застосовується
для окиснення органічних сполук за участі Fe (III) або Mn (IV) [16].
Для роботи було використано двокамерну мікробну паливну комірку на
основі бактерій Desulfuromonas acetoxidans, яку описано в [17]. Як аноліт
використовували суспензію Desulfuromonas acetoxidans ІМВ В-7384 з вихід-
ною біомасою 0,40–0,45 г/л. Аноліт, як акцептор електронів анаеробного
енергетичного метаболізму, містив натрій лимоннокислий без фумарату. Ка-
толітом був 0,1 %-ний розчин KMnO4. Анодна й катодна камери, об’єм яких
становив 0,3 л, були розділені мембраною (Millipore, розмір пор – 0,20 мкм)
діаметром 1,5 см. Для створення зовнішнього опору навантаження до елект-
родів приєднували резистор, опір якого становив 2,4 кОм.
РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ Й ОБГОВОРЕННЯ
Дослідження модифікованих вуглецевих волокон
Вихідне вуглецеве волокно є тканим матеріалом з діаметром окремих ни-
ток ~ 6 мкм. РЕМ-зображення вихідного вуглецевого волокна після обробки в
аргоні при температурі 500 °С протягом 2 год при різних збільшеннях наве-
дено на рис. 1. Елементний аналіз великих (3–25 мкм2) ділянок поверхні по-
казав, що дане ВВ містить в основному вуглець (93–95 %), кисень (4–6 %) і
невеликі домішки кремнію (до 2 %). Якщо прийняти, що кремній у волокні
представлений у вигляді SiО2, то кількість кисню, що знаходиться у вигляді
функціональних груп, складає 2–3 %. Це дозволяє віднести вихідний матеріал
до неокиснених вуглецевих волокон.
РЕМ-зображення вуглецевого волокна з наночастинками заліза, нанесе-
ними диспергуванням у плазмовому потоці (зразок ВВ–Fe ДПП), наведено на
stmj.org.ua 50
рис. 2. На поверхні ВВ–Fe ДПП зафіксовано частинки, які мають розмір від
20–30 нм до 0,5–0,6 мкм. Частинки переважно мають сферичну або напівсфе-
ричну форму. Імовірними механізмами формування крупних частинок мик-
рометрового діапазону може бути осадження заліза на сферичних утвореннях
розмірами 200 нм, які знайдено на вихідному волокні, або агрегація самих
наночастинок заліза. Результати елементного аналізу вказують на рівномірне
нанесення заліза на поверхню волокна. Його вміст змінюється лише в 1,5
рази і мало залежить від області аналізу й розміру обраної частинки. Великі
частинки заліза містять до 7 % кремнію, в той час як поверхня, вкрита залі-
зом, містить лише 1 % кремнію. Вміст кисню складає 6–8 %, що є близьким
до вмісту кисню на найбільш окиснених ділянках ВВ. Порівняння вмісту Si,
Fe із вмістом О свідчить про практично повне окиснення заліза до Fe2О3.
Криві розподілення С, О, Fe і Si вказують, що вміст цих чотирьох елементів
узгоджено змінюється вздовж обраної лінії на поверхні волокна. Отже, вико-
ристаний метод нанесення є дуже вдалим для одержання суцільного покриття
поверхні волокна наночастинками оксиду заліза або їхніми агрегатами.
а б
Рис. 1. РЕМ-зображення вихідного вуглецевого волокна при різному збільшенні: тканий
матеріал (а), окремі нитки (б).
Рис. 2. РЕМ-зображення поверхні ВВ–Fe ДПП при різному збільшенні.
Морфологію поверхні ВВ з нанесеними нітратами Fe і Со (зразки ВВ–
5(FeCo)NO3, ВВ–10(FeCo)NO3 і ВВ–15(FeCo)NO3) наведено на рис. 3. На
поверхні ВВ шляхом нанесення нітратів заліза й кобальту утворюється доволі
рівномірне покриття (див. рис. 3, а). Вміст заліза на різних ділянках поверхні
ВВ за даними елементного аналізу змінюється в межах 1,6–2,6 %. При нане-
сенні утворюються частинки переважно неправильної форми, сферичні утво-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 51
рення належать вихідному ВВ. Частинки є дрібними, розмір найменших
складає 10–40 нм, однак вони схильні до утворення агрегатів, які мають роз-
мір 100–400 нм. Нанесення такої невеликої кількості нітратів заліза й кобаль-
ту не призводить до суттєвого окиснення поверхні ВВ, вміст кисню у вигляді
функціональних груп складає 2–4 %, що відповідає вихідному ВВ.
На поверхні ВВ–10(FeCo)NO3 утворюються два типи частинок (див.
рис. 3, б). Як і у випадку ВВ–5(FeCo)NO3, на поверхні цього зразку форму-
ються частинки неправильної форми розміром від 100 нм до 1 мкм. Дані еле-
ментного аналізу вказують на невелике (∼ 2 % Fe і ∼ 0,1 % Co), але достатньо
рівномірне нанесення заліза й кобальту на поверхню ВВ. Визначене співвід-
ношення Fe:Co є значно більшим за вихідне. До другого типу відносяться
великі пластинчасті частинки довжиною 3–10 мкм і товщиною 1–1,5 мкм, які
формуються між окремими нитками волокна. Їхній елементний аналіз вказує
на значний гідроліз нітратів Fe і Co, співвідношення оксиди:нітрати складає
близько 85:15.
На поверхні ВВ–15(FeCo)NO3 утворюється суцільний шар нанесеної маси,
який повністю покриває поверхню вихідного вуглецевого волокна (див.
рис. 3, в). В деяких місцях нанесена маса утворює великі частинки довжиною
до 20–30 мкм. Таким чином, для ВВ–15(FeCo)NO3 переважна частина Fe і Co
знаходиться у вигляді оксидів і утворює великі пластинчасті частинки дов-
жиною 3–10 мкм. Лише невелика (до 25 %) частина нанесених Fe й Co знахо-
дяться у вигляді наночастинок, рівномірно нанесених на поверхню ВВ.
а б
в
Рис. 3. РЕМ-зображення поверхні ВВ–5(FeCo)NO3 (а), ВВ–10(FeCo)NO3 (б), ВВ–
15(FeCo)NO3 (в).
Морфологія поверхні вуглецевого волокна з нанесеними Fe і Co після від-
новлення у водні (зразки ВВ–5FeCo, ВВ–10FeCo і ВВ–15FeCo) наведено на
stmj.org.ua 52
рис. 4. Незважаючи на часткову агрегацію частинок нанесеної маси при від-
новленні воднем, для зразка ВВ–5FeCo зберігається доволі рівномірний роз-
поділ Fe і Co на поверхні (див. рис. 4, а). На поверхні ВВ знайдено пластин-
часті наночастинки Fe і Co (розміром меншим за 100 нм) і великі агрегати
неправильної форми розміром 1–2 мкм. Враховуючи значний загальний вміст
кисню, на поверхні ВВ присутні оксиди Fe і Co, причому визначений вміст
Co є меншим від вихідного в 1,5–2,5 рази. Концентраційні профілі Fe і Co
практично співпадають між собою і дещо відрізняються від профілю розпо-
ділення кисню. Це підтверджує утворення наночастинок, що складаються зі
сплаву Fe–Co та/або з суміші оксидів Fe та Co.
На поверхні ВВ–10FeCo і ВВ–15FeCo знайдено два типи металовмісних
частинок (див. рис. 4, б, в). Найменші з них належать до наночастинок, які
рівномірно розподілені на поверхні ВВ, що забезпечує середній вміст Fe і Co
в межах 2–4 % (зразок ВВ–10FeCo) і 4–9 % (зразок ВВ–15FeCo). Дані елеме-
нтного аналізу вказують, що ці наночастинки складаються з суміші металіч-
них Fe і Co та їх оксидів. Другий тип частинок – це великі агрегати розміром
від 2–8 до десятків микрометрів, що складаються з великої кількості криста-
лів нанометрового розміру. Дані агрегати містять до 60–70 % Fe і Co та порі-
вняно мало (~ 1,5–3 %) кисню, що дозволяє віднести їх до металічних части-
нок, які вкриті оксидною плівкою. У великих пластинчастих частинках після
відновлення (див. рис. 4, б) можна виділити два шари: нижній (“підкладка”) –
на вигляд суцільний шар, що складається з металів (76 % Fe і 6 % Со) і міс-
тить невелику кількість кисню (2,6 %), і верхній рихлий шар (“шуба”), який
містить дещо менше металів (66 % Fe і 6 % Со) і більше (3,7 %) кисню. Оче-
видно, що обидва ці шари складаються з металів, покритих оксидною плів-
кою.
а б
в
Рис. 4. РЕМ-зображення поверхні ВВ–5FeCo (а), ВВ–10FeCo (б), ВВ–15FeCo (в).
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 53
РЕМ-зображення вуглецевого волокна з наночастинками Fe, нанесеними
адсорбцією з колоїдного розчину, наведено на рис. 5. Малі значення питомої
поверхні вуглецевої тканини ускладнили процес нанесення наночастинок, на
поверхні волокна були знайдені тільки поодинокі сильно агреговані частинки
заліза з лінійними розмірами 10–50 мкм. Вміст кисню в цих частинках не
перевищує 3–4 %, що вказує на відновлений стан металів і утворення незнач-
ної оксидної поверхневої плівки. Таким чином, даний метод нанесення нано-
частинок себе не виправдав.
Рис. 5. РЕМ-зображення вуглецевого волокна з наночастинками Fe різної форми, нанесе-
ними адсорбцією з колоїдного розчину.
Дослідження роботи паливних елементів на основі модифікованих
вуглецевих волокон
Для з’ясування ефективності використання модифікованих ВВ як анодних
матеріалів проводили дослідження зміни потужності генерації електричної
енергії клітинами Desulfuromonas acetoxidans з часом у двокамерній мікроб-
ній комірці. Для цих експериментів анодні елементи виготовляли у вигляді
смужки розмірами 16,5×4,5 см, поверхню якої термічно обробляли в атмос-
фері аргону й хімічно модифікували наночастинками Fe та Co за описаною
вище технологією. Протягом місяця вимірювали вольт-амперну характерис-
тику МПК, яка дозволила визначити залежність різниці потенціалів на елект-
родах від кількості діб роботи комірки при струмі, що задавали зовнішнім
опором навантаження. З отриманих даних визначали залежність питомої по-
тужності генерації електричної енергії паливної комірки з одиниці площі
аноду від кількості діб роботи комірки. У всіх експериментах підтримували
однакові умови вимірювань, які визначались конструктивними й мікробіоло-
гічними параметрами комірки: об’єм катодної і анодної камери, тип і площа
аноду та катоду, тип протон-зарядної мембрани, вміст аноліту і католіту.
Вимірювання проводили протягом тривалого часу: кожний робочий день
тижня з перервами у вихідні дні. При цьому незначно змінювали температур-
ні режими вимірювань, що вносило системну похибку у результати вимірів,
яка, на думку авторів, не спотворила отриманих залежностей.
На рис. 6 наведено порівняльні характеристики роботи паливної комірки
протягом місяця з різними анодами на основі бактерій Desulfuromonas
acetoxidans. Як бачимо на рис. 6, найкращий результат показала робота пали-
вної комірки з анодом на основі зразка ВВ–Fe ДПП (див. рис. 6, крива 2).
У даному випадку генерована потужність протягом місяця досліджень колива-
лась у межах від 147⋅10–4 до 135⋅10–4 Вт/м2 (28 днів) і почала спадати у кінці
місяця. Для порівняння, у зразку з анодом із ВВ спостерігали монотонний ріст
stmj.org.ua 54
енергії до 50 % від початкового значення. Максимум становив 147⋅10–4 Вт/м2
на 24-й день роботи комірки і далі спостерігали монотонний її спад (див.
рис. 6, крива 1).
0 5 10 15 20 25 30
Кількість діб роботи комірки
1
5
2
4
3
20
40
60
80
100
120
140
160
П
от
уж
н
іс
ть
, В
т/
м
2 ⋅1
0–
4
Рис. 6. Вольт-амперні характеристики роботи паливної комірки на основі бактерій Desulfu-
romonas acetoxidans з анодами на основі зразків: вихідного ВВ (1), ВВ–Fe ДПП (2), ВВ–
5FeCo (3), ВВ–10FeCo (4), ВВ–15FeCo (5).
У випадку анодів на основі зразків ВВ–5FeCo, ВВ–10FeCo і ВВ–15FeCo
спостерігали зовсім іншу картину. Для анодів з меншим вмістом металів
(ВВ–5FeCo і ВВ–10FeCo) вольт-амперні характеристики комірки були нижчі,
ніж така залежність для комірки з анодом із ВВ (див. рис. 6, криві 3 і 4). Для
аноду ВВ–15FeCo спостерігали максимальну генерацію енергії, однак характер
залежності вольт-амперної кривої суттєво мінявся (див. рис. 6, крива 5). Спо-
стерігали коливальну залежність з максимумом при 160,0⋅10–4 Вт/м2 і мініму-
мом при 125⋅10–4 Вт/м2. Для зразків даного типу з меншою концентрацією
заліза спостерігали подібну поведінку вольт-амперних залежностей комірок,
однак їх максимуми були значно нижчими.
З отриманих залежностей випливає, що вольт-амперні характеристики ко-
мірок суттєво різняться від типу використаних у них анодів. Найбільші зна-
чення потужності комірки одержано при використанні як анодів зразків ВВ–
Fe ДПП і ВВ–15FeCo, що характеризуються значним (10–15 %) вмістом залі-
за. Таким чином, ефективна і тривала робота досліджених анодів обумовлена
поєднанням двох факторів: високої електропровідності вуглецевого волокна
й наявності нанесених залізовмісних наночастинок і їхніх агрегатів, необхід-
них для життєдіяльності Desulfuromonas acetoxidans.
Автори висловлюють подяку співробітникам Л. Р. Вишнякову (Інститут
проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України) за надання
зразків вуглецевої тканини, а також В. П. Садохіну (Інститут надтвердих
матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України) за виготовлення вуглецевої ткани-
ни з наночастинок заліза, що наносили з плазмового потоку.
Electron-microscopic study of the state (size distribution and the elemental
composition) of nanoparticles based on Fe and Fe–Co on the surface of the carbon fiber (CF)
deposited from colloidal solution, by the chemical deposition and direct dispersion in plasma.
The work of the carbon fiber modified by nanoparticles of metals of carbon fibers as anodes in
the laboratory two-chamber microbial–anodic cell of the fuel element based on the bacterium
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 3 55
Desulfuromonas acetoxidans was studied. The expediency of the practical use in anodes of
microbial fuel cells of nanoparticles Fe was proved.
Keywords: nanoparticles Fe and Fe–Co, modified carbon fibers, microbial
fuel cell.
Проведено электронно-микроскопическое исследование состояния (рас-
пределения по размерам и элементный состав) наночастиц Fe и Fe–Со на поверхности
углеродного волокна, нанесенных из коллоидных растворов, химическим осаждением и
непосредственным диспергированием в плазме. Исследована работа модифицированных
наночастицами металлов углеродных волокон в качестве анодов в лабораторной двухка-
мерной микробно-анодной ячейке топливного элемента на основе бактерий
Desulfuromonas acetoxidans. Доказана целесообразность практического использования в
анодах микробных топливных ячеек наночастиц Fe.
Ключевые слова: наночастицы Fe и Fe–Со, модифицированные угле-
родные волокна, микробная топливная ячейка.
1. Potter M. C. Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds //
Royal Society (Formerly Proc. Royal Society) B (Biol. Sci.). – 1911. – 84. – P. 260–276.
2. Cohen B. The Bacterial culture as an electrical half-cell // J. Bacteriology. – 1931. – 21. –
P. 18–19.
3. DelDuca M. G., Friscoe J. M., Zurilla R. W. Developments in industrial microbiology // Am.
Inst. Biol. Sci. – 1963. – 4. – Р. 81–84.
4. Karube I., Matasunga T., Suzuki S., Tsuru S. Continuous hydrogen production by immobilized
whole cells of Clostridium butyricum // Biocheim. Biophys. Acta. – 1976. – 24, N 2. – P. 338–343.
5. Karube I., Matasunga T., Tsuru S., Suzuki S. Biochemical cells utilizing immobilized cells of
Clostridium butyricum // Biotechnol. Bioeng. – 1977. – 19. – Р. 1727–1733.
6. Allen R. M., Bennetto H. P. Microbial fuel cells: Electricity production from carbohydrates //
Appl. Biochem. Biotechnol. – 1993. – 39–40. – Р. 27–40.
7. Yue P. L., Lowther K. Enzymatic Oxidation of C1 compounds in a biochemical fuel cell //
Chem. Eng. J. – 1986. – 33. – B69– B77.
8. Pant D., Singh A., Van Bogaert G., Gallego Y. A., Diels L., Vanbroekhoven K. An introduc-
tion to the life cycle assessment (LCA) of bioelectrochemical systems (BES) for sustainable
energy and product generation: Relevance and key aspects // Renew. Sust. Energy Rev. –
2011. – 15, N 2. – Р. 1305–1313.
9. Pranab K. Barua, Deka D. Electricity generation from biowaste based microbia l fuel cells //
Int. J. Energy, Inform. Commun. – 2010. – 1, N 1. – P. 77– 92.
10. Mercer J. Microbial fuel cells: generating power from waste // Rev. Eng. Everyday Life. –
2015. – XVI, Issue II. – http://illumin.usc.edu/printer/134/microbial-fuel-cells-generating-
power-from-waste/
11. Salgueiro C. A., Dantas J. M. Multiheme Cytochromes. – Berlin, Heidelberg: Springer, 2016.
– P. 1–39.
12. Clarke T. A., Edwards M. J., Gates A. J., Hall A., White G. F., Bradley J., Reardon C. L., Shi L.,
Beliaev A. S., Marshall M. J., Wang Z., Watmough N. J., Fredrickson J. K., Zachara J. M.,
Butt J. N., Richardson D. J. Structure of a bacterial cell surface decaheme electron conduit //
Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2011. – 108, N 23. – Р. 9384–9389.
13. Beckers L., Hiligsmann S., Lambert S. D., Heinrichs B., Thonart P. Improving effect of metal
and oxide nanoparticles encapsulated in porous silica on fermentative biohydrogen produc-
tion by Clostridium butyricum // Bioresour. Technol. – 2013. – 133. – Р. 109–117.
14. Пат. 2224057 Россия, МПК D01F 9/00. Углеродная текстурированная нить и способ ее
получения / Л. Р. Вишняков, М. Е. Казаков, А. Н. Тонковид. – Опубл. 27.03.08.
15. Новiков М. В., Кiстерська Л. Д., Садохiн В. В., Перевертайло В. М. Екологічно чиста
технологія плазмового диспергування електропровідних матерiалiв з одностадiйним
циклом виготовлення cуспензій наночастинок у широкому спектрі рідких основ //
Порошк. металлургия. – 2012. – № 1/2. – C. 34–45.
16. Roden E. R., Lovley D. R. Dissimilatory Fe (III) reduction by the marine microorganism
Desulfuromonas acetoxidans // Appl. Environ. Microbiol. – 1993. – 59, N 3. – Р. 734–742.
17. Vasyliva O. M., Bilyy O. I., Ferensovych Ya. P., Hnatusha S. O. Electric current generation
by sulfur-reducing bacteria in microbial-anode fuel cell // Proc. of SPIE Reliability of Photo-
voltaic Cells, Modules, Components, and Systems / Eds. Neelkanth G. Dhere, John H. Wohl-
gemuth. – 2012. – 8472, art. 84720Z1-7.
Надійшла 06.01.17
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166991 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:45:11Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Білий, О.І. Іщенко, О.В. Діюк, В.Е. Кістерська, Л.Д. Логінова, О.Б. Ткач, В.М. 2020-03-11T21:16:12Z 2020-03-11T21:16:12Z 2018 Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок / О.І. Білий, О.В. Іщенко, В.Е. Діюк, Л.Д. Кістерська, О.Б. Логінова, В.М. Ткач // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 3. — С. 46-55. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166991 544.7:661.872 Проведено електронно-мікроскопічне дослідження стану (розподілення за розмірами та елементний склад) наночастинок на основі Fe і Fe–Со на поверхні вуглецевого волокна, нанесених з колоїдних розчинів, хімічним осадженням і безпосереднім диспергуванням у плазмі. Досліджено роботу модифікованих наночастинками металів вуглецевих волокон як анодів у лабораторній двокамерній мікробно-анодній комірці паливного елемента на основі бактерій Desulfuromonas acetoxidans. Доведено доцільність практичного використання в анодах мікробних паливних комірок наночастинок Fe. Проведено электронно-микроскопическое исследование состояния (распределения по размерам и элементный состав) наночастиц Fe и Fe–Со на поверхности углеродного волокна, нанесенных из коллоидных растворов, химическим осаждением и непосредственным диспергированием в плазме. Исследована работа модифицированных наночастицами металлов углеродных волокон в качестве анодов в лабораторной двухкамерной микробно-анодной ячейке топливного элемента на основе бактерий Desulfuromonas acetoxidans. Доказана целесообразность практического использования в анодах микробных топливных ячеек наночастиц Fe. Electron-microscopic study of the state (size distribution and the elemental composition) of nanoparticles based on Fe and Fe–Co on the surface of the carbon fiber (CF) deposited from colloidal solution, by the chemical deposition and direct dispersion in plasma. The work of the carbon fiber modified by nanoparticles of metals of carbon fibers as anodes in the laboratory two-chamber microbial–anodic cell of the fuel element based on the bacterium Desulfuromonas acetoxidans was studied. The expediency of the practical use in anodes of microbial fuel cells of nanoparticles Fe was proved. Автори висловлюють подяку співробітникам Л. Р. Вишнякову (Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України) за надання зразків вуглецевої тканини, а також В. П. Садохіну (Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України) за виготовлення вуглецевої тканини з наночастинок заліза, що наносили з плазмового потоку. uk Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок Article published earlier |
| spellingShingle | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок Білий, О.І. Іщенко, О.В. Діюк, В.Е. Кістерська, Л.Д. Логінова, О.Б. Ткач, В.М. Получение, структура, свойства |
| title | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок |
| title_full | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок |
| title_fullStr | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок |
| title_full_unstemmed | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок |
| title_short | Модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок |
| title_sort | модифікування наночастинками металів вуглецевої тканини для мікробних паливних комірок |
| topic | Получение, структура, свойства |
| topic_facet | Получение, структура, свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166991 |
| work_keys_str_mv | AT bíliioí modifíkuvannânanočastinkamimetalívvuglecevoítkaninidlâmíkrobnihpalivnihkomírok AT íŝenkoov modifíkuvannânanočastinkamimetalívvuglecevoítkaninidlâmíkrobnihpalivnihkomírok AT díûkve modifíkuvannânanočastinkamimetalívvuglecevoítkaninidlâmíkrobnihpalivnihkomírok AT kístersʹkald modifíkuvannânanočastinkamimetalívvuglecevoítkaninidlâmíkrobnihpalivnihkomírok AT logínovaob modifíkuvannânanočastinkamimetalívvuglecevoítkaninidlâmíkrobnihpalivnihkomírok AT tkačvm modifíkuvannânanočastinkamimetalívvuglecevoítkaninidlâmíkrobnihpalivnihkomírok |