Forskere producerer en biocelle lige så effektiv som en platinbrændselscelle

At lave en biocelle, der er lige så effektiv som en platinbrændselscelle:det er den bedrift, forskere i Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) har opnået, i samarbejde med Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) og Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (CNRS/Aix-Marseille Université). Tre år efter at have lavet deres første prototype biocelle, forskerne har lige nået en ny milepæl og øget dens ydeevne og stabilitet. Denne biocelle kunne i det lange løb, tilbyde et alternativ til brændselsceller, der kræver sjældne og dyre metaller, såsom platin. Deres arbejde blev udgivet i Energi- og miljøvidenskab den 17. august, 2017.

En brændselscelle omdanner kemisk energi til elektrisk energi via brintforbrænding. Selvom det anses for at være en ren teknologi – fordi den ikke udleder drivhusgasser – bruger brændselsceller kostbare sjældne metalkatalysatorer, såsom platin, at oxidere brint og reducere ilt. I de seneste år, identifikation af biokatalysatorer, enzymer med bemærkelsesværdige egenskaber, har revitaliseret forskningen på dette område:deres ilt, og især brint, transformationsaktivitet er sammenlignelig med platin. Hydrogenaseaktivitet var, indtil for nylig, hæmmes af ilt og derfor uforenelig med brug i celler.

For flere år, forskere i Laboratoire of Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) har udviklet en ny generation af bioceller. De har erstattet den kemiske katalysator (platin) med bakterielle enzymer:ved anoden, hydrogenase (nøgle til at omdanne hydrogen til mange mikroorganismer), og ved katoden, bilirubinoxidase. De har nu identificeret en hydrogenase, der er aktiv i nærvær af oxygen og resistent over for nogle platinhæmmere som kulilte. I samarbejde med Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux), de udforskede også biodiversitet for at identificere varmestabile enzymer, der kan modstå temperaturer mellem 25°C og 80°C.

For at flytte disse bioprocesser fra laboratoriet til industriel udvikling skulle to store forhindringer overvindes. I 2014, deres første prototype var begrænset af både den lave strøm, den genererede, og af mangel på enzymstabilitet. Så de havde brug for en skalaændring, alligevel måtte beholde enzymernes aktivitet og beskytte dem mod eventuelle hæmmere. Et tredje stort problem var, hvordan man kan reducere omkostningerne, så bl.a. de skulle minimere mængden af ​​brugt enzym. Alle disse spørgsmål krævede grundlæggende og tværfaglig undersøgelse, der skulle belyse de faktorer, der begrænser bioelektrokatalyse.

Ved gradvist at inkorporere de to varmestabile enzymer i en kulstofbaseret arkitektur, forskerne løste disse tre problemer. En carbonfilt med passende tilpasset porøsitet er værtsstrukturen for enzymerne, og tjener også som beskyttelse mod kemiske arter, der dannes, når oxygen reduceres, som ændrer enzymaktivitet. Så cellen kan fungere uden tab af ydeevne i flere dage.

Ved hjælp af denne kontrollerede arkitektur og enzymers iboende egenskaber, forskerne har for første gang formået at kvantificere andelen af ​​enzymer, der deltager effektivt i den nuværende, demonstrerer, at strømmene leveret af biokatalysatoren er meget lig målresultaterne for platin. De har også udviklet en numerisk model til at bestemme cellens optimale geometri. Så disse bioceller ser ud til at være et alternativ til klassiske brændselsceller:biomasse kan bruges til at levere både brændstof (brint) og katalysator (enzymer), som er af natur, vedvarende.