Глобальный спрос на энергию резко возрос в последние годы и, по прогнозам, продолжит расти до 2030 года. Ископаемое топливо доминирует в мировой добыче, покрывая более 80% мирового растущего спроса на энергию, при этом 95% транспортного сектора зависит от нефти. Но сюда ещё следует прибавить потребности быстрорастущего количества Центров Обработки Данных (дата-центров). Кроме того, чрезмерная эксплуатация ископаемого топлива приводит к резкому увеличению выбросов парниковых газов, что значительно усугубляет проблемы глобального потепления и изменения климата. Принятие стратегии достижения нулевых выбросов требует замены ископаемого топлива множеством углеродно-нейтральных источников, которые являются возобновляемыми, устойчивыми и безвредными. Благодаря своей неисчерпаемой природе эти возобновляемые источники, такие как солнечная, ветровая и приливная, стали очень привлекательными. Однако их зависимость от погодных условий вызывает колебания и нестабильность, что препятствует их превращению в основные источники электричества.
С некоторых пор именно биотопливо стало рассматриваться, как перспективный экологически чистый энергоноситель, благодаря своей высокой эффективности и экологичности. Среди них водород выделяется как перспективная альтернатива, предоставляющая существенные преимущества. Прежде всего, водород является наиболее распространённым элементом на Земле, его высокая скорость диффузии, превосходящая скорость любого другого известного газа, и нетоксичность в стандартных атмосферных условиях делают его одним из самых чистых доступных энергоносителей. С энергетической плотностью в 142 кДж/г, почти в три раза превышающей плотность ископаемого топлива, он демонстрирует исключительные энергетические характеристики, что укрепляет его потенциал как экологически чистого и устойчивого источника энергии. Есть предположение, что производство водородного топлива значительно вырастет, увеличившись до 13% мирового энергетического баланса к 2050 году.
В настоящее время большинство технологий получения водорода зависят от ископаемых ресурсов. Поэтому производство водорода из возобновляемых источников стало критически важной областью исследований в последние годы. Для такого процесса используется широкий спектр биологических подходов, которые можно разделить на три основные категории: фотолиз, ферментация и электролиз. На сегодняшний день биоэлектрохимические системы (БЭС) широко изучаются и разрабатываются для эффективного производства экологически чистого водорода. Ожидается, что эти достижения, которые также включают микробные электролитические ячейки (МЭЯ), сыграют ключевую роль в развитии устойчивой экономики в этой сфере.
Среди универсальных биоэлектрохимических инструментов последний метод считается одной из наиболее перспективных технологий благодаря их потенциалу достижения более высоких выходов конечного продукта, при более низком внешнем энергетическом входе (по сравнению с электролизом воды). Кроме того, микробные электрохимические ячейки могут использовать широкий спектр органических компонентов в качестве субстратов, предлагая двойное преимущество: генерацию биоводорода и очистку сточных вод.
Среди различных богатых органическими веществами субстратов агропромышленные сточные воды, особенно богатые крахмалом или целлюлозой, содержат большое количество углеводов и служат ценным источником для производства водорода. Более того, они являются обильными, экономически эффективными и легкодоступными источниками биоразлагаемых субстратов, которые ещё не в полной мере используются для производства такого топлива.
Состав субстрата также играет решающую роль: легко биоразлагаемые сточные воды, богатые углеводами, обычно обеспечивают более высокие скорости производства водорода и кулоновскую эффективность, в то время как субстраты, богатые белками и липидами, более подвержены конкуренции со стороны метаногенов. Важно отметить, что улучшение взаимодействия электрода с микроорганизмами и снижение внутреннего сопротивления часто оказывают большее влияние на долговременную стабильность системы, чем краткосрочное повышение каталитической активности.
Микробные электролитические ячейки (МЭЯ) появились в последнее десятилетие, как революционное решение для удовлетворения растущих потребностей в энергии и одновременно для очистки воды. Типичная архитектура МЭЯ состоит из двух основных отсеков: анодной камеры и катодной камеры, работающих в анаэробных условиях и разделённых протонно-обменной мембраной. В анодной камере электроактивные бактерии колонизируют поверхность анода и окисляют органические вещества, присутствующие в сточных водах, до диоксида углерода (CO₂), положительно заряженных протонов и отрицательных электронов.
Перенос электронов в микробных электрохимических ячейках происходит посредством ряда окислительно-восстановительных реакций двумя основными механизмами: прямым переносом и опосредованным. В первом варианте электроактивные бактерии переносят электроны на анод через цитохромы внешней мембраны или проводящие нанопроволоки. При втором способе растворимые окислительно-восстановительные медиаторы переносят электроны между микробными клетками и поверхностью электрода. Эффективность этих механизмов напрямую влияет на плотность тока и скорость производства водорода.
Структурная стабильность углеродсодержащих материалов в суровых условиях делает их очень надёжными для применения в энергетике и охране окружающей среды, включая биоэлектрохимические системы. Углеродсодержащие материалы широко используются в микробных электрохимических ячейках благодаря их биосовместимости, устойчивости к коррозии и экономической эффективности. Благодаря высокой пористости, случайной шероховатости поверхности и контролируемому распределению поверхностного заряда (например, гидрофобности или гидрофильности), такие аноды значительно улучшили взаимодействие микроорганизмов с электродами. А вот материалы на основе металлов, включая нержавеющую сталь, медь или никель, продемонстрировали значительный потенциал в качестве катодов, благодаря своей механической прочности и высокой проводимости, ключевым характеристикам для индустриализации. Идеальный катодный материал должен обладать высокой активностью в реакции выделения водорода, низкой стоимостью, коррозионной стойкостью и нетоксичностью, что делает эти материалы весьма подходящими для биоэлектрохимических применений.
Сейчас проводятся испытания установок с композитными электродами с оксидами титана, олова, марганца и железа. Они хорошо взаимодействуют с углеродсодержащими материалами, в качестве анодов благодаря их значительной роли в улучшении проводимости. Кроме того, эти нанокомпозитные металлические или оксидные электроды улучшают адгезию бактериальных клеток и снижают омические потери, что приводит к повышению общей эффективности. Среди новейших композитных материалов карбид вольфрама также исследовался как экономически эффективная альтернатива дорогостоящим палладию или платине. В последнее время проводящие полимеры, такие как полианилин, также интегрируются с углеродными нанотрубками на графитовом войлоке с наночастицами платины на оксиде графена. Одним словом, учёные разрабатывают массу эффективных материалов для этого процесса. В целом, хотя катализаторы из благородных металлов неизменно демонстрируют превосходные показатели выделения водорода, их высокая стоимость и подверженность отравлению ограничивают практическую масштабируемость. Электроды из переходных металлов и композитные электроды представляют собой многообещающие альтернативы.
Микроорганизмы играют решающую роль в микробных системах, опосредуя превращение органического материала в биогаз и другие ценные метаболиты. Превращение субстратов в энергию зависит от деградационного потенциала микроорганизмов, в частности гидролизующих и электроактивных бактерий, поскольку они способствуют биокаталитическим реакциям благодаря своему сложному метаболическому механизму. Гидролизующие бактерии расщепляют сложные полимеры на более простые мономеры, в то время как электроактивные окисляют эти мономеры, высвобождая электроны из клеточной мембраны и передавая их на анод.
Использование возобновляемой энергии для обеспечения необходимого напряжения представляет собой перспективный подход к устойчивому производству биоводорода без увеличения затрат. К настоящему времени мембранно-электродные ячейки с использованием солнечной энергии были разработаны путем интеграции обычных МЭЯ с фотосинтезирующими бактериями, фотоэлектродами, солнечными батареями или фотоэлектрохимическими ячейками. В этих системах солнечная энергия обеспечивает дополнительные электроны, необходимые для преодоления термодинамического барьера и производства биоводорода.
Микробиологические методы представляют собой перспективную платформу для устойчивого производства водорода, интегрированного с очисткой сточных вод. Агропромышленные стоки, характеризующиеся высокой органической нагрузкой и биоразлагаемостью, являются привлекательными субстратами для биоэлектрохимической переработки. Достигнуты значительные успехи в разработке электродных материалов, конфигураций мембран и конструкции реакторов, что привело к повышению скорости производства водорода и эффективности удаления органических веществ. Однако ограничения массопереноса, стоимость мембран и метаногенные помехи становятся всё более критичными на больших масштабах реакторов. Разработчики уверены, что в скором времени эти проблемы будут решены.