Chế tạo thành công hệ thống điện sinh học không sử dụng mạch điện ngoài

Mới đây, TS. Hồ Tú Cường tại Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã công bố "Hệ thống điện sinh học mới" có cách thiết kế và vận hành hoàn toàn khác biệt so với phương thức truyền thống, từ đó tiết kiệm chi phí dây dẫn và có tiềm năng khả năng tạo ra các vật liệu nano với kích thước rất nhỏ.

Được biết, một hệ thống điện sinh học thông thường dưới dạng pin nhiên liệu vi sinh vật (MFC) sẽ gồm bốn phần: anot (cực âm), catot (cực dương), màng bán thấm (thường là màng trao đổi proton) và một mạch điện ngoài (các dây dẫn).  Dựa theo cấu trúc này, các vi khuẩn ở cực âm sẽ có nhiệm vụ tiêu thụ các chất hữu cơ và sinh ra electron. Sau đó các electron này sẽ đi theo mạch điện ngoài, đồng thời các proton sẽ đi qua màng ngăn, để đến cực dương và sinh ra các phản ứng điện hóa và kết thúc chu trình truyền điện tử.

Tuy nhiên, sáng chế đột phá của TS. Cường khác biệt ở chỗ, hệ thống bao gồm khoang catot và khoang anot được cấu tạo riêng biệt. Tức là giữa 2 khoang này không có màng trao đổi ion, khi điện cực than chì với hai đầu được bố trí trong khoang catot và khoang anot, tạo thành cực catot và cực anot tương ứng trên cùng một điện cực.

Theo cách bố trí này, giữa hai cực này không có mạch điện ngoài do điện cực than chì đóng vai trò như một mạch điện trong. Hệ thống này vận hành với tác nhân sinh học là vi khuẩn Shewanella - một vi khuẩn hay được dùng làm tác nhân sinh học vận hành hệ thống điện MFC.

Với kết cấu điện cực như thế, hệ thống điện của nhóm nghiên cứu không chỉ có thể dễ dàng chế tạo với những vật liệu sẵn có, chi phí thấp, mà còn không cần đến mạch điện ngoài do điện cực đã đóng vai trò như một mạch điện trong, nhờ đó tiết kiệm chi phí dây dẫn.

Đồng thời, cũng do không sử dụng dây dẫn, hệ thống điện do nhóm sáng chế sẽ cho dòng điện thấp dưới ngưỡng đo, và có khả năng tạo ra các vật liệu nano với kích thước rất nhỏ.

"Thông thường người ta sẽ nghĩ đến việc làm sao để cân bằng điện tử giữa hai bên cực cho dòng điện có thể chạy qua, chứ không nghĩ theo hướng ngược lại, do vậy, các hệ thống MFC thường phải sử dụng màng trao đổi proton có giá thành cao", TS. Cường lý giải.

TS. Cường cho biết thêm, nếu sử dụng liên tục trong thời gian dài, hiệu quả vận chuyển proton qua màngcủa hệ thống có thể giảm, dẫn đến hiệu suất của hệ thống cũng giảm theo. Tuy nhiên do nhu cầu không cần trao đổi proton như vậy nên có thể sử dụng những loại màng giá thành rẻ hơn nhiều, ví dụ như silicon.

Ngoài phương án trên, nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm hệ thống này để tổng hợp các vật liệu như nano cadmi sulfide, seleni, bạc, đồng... Kết quả cho thấy, hệ thống có thể tổng hợp được những vật liệu với kích thước rất nhỏ và tinh khiết. Chẳng hạn như với seleni, nhóm của TS. Cường đã tổng hợp và tách hoàn toàn được các hạt nano seleni sạch khỏi tế bào vi khuẩn trong hệ thống điện sinh học với kích thước 30-60 nm.

TS. Cường cho rằng đây có thể là khởi đầu của một công nghệ chi phí thấp, có nhiều tính ứng dụng để tạo vật liệu như ion cadmi sulfide hay seleni, hay tạo vật liệu nano kim loại, làm cảm biến (sensor).

Hệ thống điện sinh học không sử dụng mạch điện ngoài của TS. Hồ Tú Cường và các cộng sự đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp Bằng độc quyền sáng chế số 1-0028712.