Modification of microbial fuel cell anodes via nitric acid and hydrogen peroxide treatment forelectrogenic biofilm formation

Abstract

The primary objectives of this study are to evaluate the influence of modifying carbon felt electrodes on the formation of microbial electrogenic biofilm and the efficiency of bioelectrogenesis in a two-chamber microbial fuel cell. Microbial fuel cells represent an alternative energy technology that enables the conversion of organic matter into electricity through microbial metabolism. However, their practical application has been limited by low energy efficiency and instability. This research aims to enhance the efficiency of microbial fuel cells by modifying the anodes, which may contribute to the broader adoption of these systems within sustainable energy development. To achieve these objec-tives, the following tasks were addressed: modification of anodes using a mixture of HNO₃ and H₂O₂to improve the hydrophilic properties and biocompatibility of the electrode surface; long-term record-ing of the system's output voltage to assess the dynamics of electricity generation and to establish cor-relations between biofilm formation stages and output voltage; and analysis of biofilm structures using light and scanning electron microscopy. Key findings include quantitative indicators of output voltage from two microbial fuel cell configurations. The system with the modified anode demonstrated a sig-nificant advantage, exhibiting an output voltage 2.70 to 2.75 times higher than that of the system with untreated carbon felt. The significance of these results lies in confirming the effectiveness of the elec-trode modification method used, which may facilitate the implementation of microbial fuelcells as alternative energy sources for low-power autonomous devices.

Obiectivele principale ale acestui studiu sunt de a evalua influența modificării electrozilor din pâslă de carbon asupra formării biofilmului electrogen microbian și a eficienței bioelectrogenezei într-o pilă de combustie microbiană cu două camere.Pilele de combustie microbiene reprezintă o tehnologie energetică alternativă care permite conversia materiei organice în electricitate prin metabolismul microbian.Cu toate acestea, aplicarea lor practică a fost limitată de eficiența energetică scăzută și instabilitate.Această cercetare își propune să sporească eficiența pilelor decombustie microbiene prin modificarea anozilor, ceea ce poate contribui la adoptarea pe scară largă a acestor sisteme în cadrul dezvoltării energiei durabile.Pentru a atinge aceste obiective, au fost abordate următoarele sarcini: modificarea anozilor folosind un amestec de HNO₃ și H₂O₂ pentru a îmbunătăți proprietățile hidrofile și biocompatibilitatea suprafeței electrodului;înregistrarea pe termen lung a tensiunii de ieșire a sistemului pentru a evalua dinamica generării de electricitate și pentru a stabili corelații între etapele de formare a biofilmului și tensiunea de ieșire;și analiza structurilor biofilmului folosind microscopia optică și microscopia electronică descanare.Principalele constatări includ indicatori cantitativi ai tensiunii de ieșiredin două configurații de pile de combustie microbiene.Sistemul cu anod modificat a demonstrat un avantaj semnificativ, prezentând o tensiune de ieșire de 2.70 până la 2.75 ori mai mare decât cea a sistemului cu pâslă de carbon netratată.Semnificația acestor rezultate constă în confirmarea eficacității metodei de modificare a electrodului utilizată, care poate facilita implementarea pilelor de combustie microbiene ca surse alternative de energie pentru dispozitive autonome de consum redus de energie.

Основными целями исследованияявляются оценка влияния модификации электродов из углеродного войлока на формирование электрогенной биоплёнки микроорганизмов и эффективности биоэлектрогенерации в двухкамерном микробном топливном элементе. Микробные топливные элементы являются альтернативной энергетической технологией, позволяющей преобразовывать органические вещества в электроэнергию за счёт метаболизма микроорганизмов. Однако их практическое применение ограничено низкой энергоэффективностью и нестабильностью. Данное исследование направленона по-вышение эффективности микробного топливного элемента путём модификации анодов, что может спо-собствовать дальнейшему широкому использованию данных систем в рамках развития направлений устойчивой энергетики. Для достижения поставленных целейрешались следующие задачи: модификация анодов смесью HNO₃ и H₂O₂ для улучшения гидрофильных свойстви биосовместимости поверхности электродов, регистрация выходного напряжения системы в течение длительного времени для оценки динамики генерации электроэнергии и установления зависимостей между стадиями образования био-плёнки и выходного напряжения, а такжеанализ структуры биоплёнок с использованием световой и ска-нирующей электронной микроскопии. Важными результатами являютсяколичественные показатели вы-ходного напряжения двух конфигураций микробных топливных элементов. Система с модифицирован-ным анодом продемонстрировала значительное преимущество, показав выдаваемое напряжение в 2,70–2,75раза выше, чем система с необработаннымуглеродным войлоком. Кроме того, скорость нарастания напряжения длямодифицированного анода в 2.90–2.95раза выше по сравнению с необработанным ано-дом, свидетельствуя об ускоренной кинетике формирования электрогенной биоплёнки и оптимизации процессов переноса электронов. Микроскопия выявила более быстрое формирование плотных и одно-родных биоплёнок на модифицированном электроде, где размеры биоплёнки составили от 10 до 15 мкм против 4–6 мкм на необработанном электроде. Значимость результатовзаключается вподтвержденииэффективности используемого способа модификацииэлектродов дляработы микробных топливныхэле-ментов, что может способствовать их внедрению в качестве источников альтернативной энергии для ма-ломощных автономных устройств.