Ученые еще на шаг приблизились к созданию эффективного биотопливного элемента
Исследователи разработали новые электроды для топливных элементов, использующих ферменте гидрогеназе. Система генерировала ток большей плотности, в сравнении с предыдущими попытками применить энзим.
ТЭ на гидрогеназе, в принципе, могут по эффективности не уступать устройствам с платиновым катализатором, сообщает eurekalert.org. Но ферменту требуется водная среда, что усложняет попадание водорода в электрод, где он находится. Исследователи из Русского университета Бохума, Института Макса Планка по химическому преобразованию энергии в Мюльхайме-на-Руре и Университета Лиссабона решили эту проблему. Они использовали ранее разработанную концепцию загрузки ферментов в газодиффузионный электрод. Система описана в журнале Nature Communications.
Газодиффузионные электроды могут эффективно передавать газообразное сырье для химических реакций на поверхность с помощью катализатора. Их уже протестировали в различных системах. Но катализатор при этом был электрически подключен прямо к поверхности электрода.
«В этой системе на элемент наносится только один слой фермента, что ограничивает движение потока», — сказал доктор Адриан Руфф, описывая недостаток структуры.
Энзимы также не были защищены от воздействия окружающей среды. Это особенно важно для гидрогеназы, становящейся нестабильной при контакте с кислородом. Химики Бохума разработали редокс-полимер, куда можно загрузить фермент для защиты. Ранее такую матрицу тестировали только на плоских электродах, а не на трехмерных структурах, свойственных газодиффузионным элементам.
«Эти пористые конструкции предлагают большую площадь поверхности, рассчитанную на значительную дозу фермента, — сказал профессор Вольфганг Шуман. – Но было неясно, сработает ли на них защита от кислорода и останется ли система газопроницаемой».
Ученые создали полимер с оптимальным балансом гидрофобных и гидрофильных свойств. Это был единственный способ получить стабильные пленки с хорошей каталитической загрузкой. Электроды остались газопроницаемыми, а плотность тока составила 8 мА на кв. см. Предыдущие биоаноды с полимером и гидрогеназой давали только 1 мА на кв. см.
Соединив получившийся элемент с биокатодом, ученые продемонстрировали возможность создания функционального ТЭ. Его удельная мощность достигала 3,6 мВт на кв. см, а холостое напряжение – 1,13 В, что лишь немного ниже теоретического максимума в 1,23 В.
