Næste skridt på vejen mod en effektiv biobrændselscelle

Brændselsceller, der arbejder med enzymet hydrogenase er, i princippet, lige så effektive som dem, der indeholder det dyre ædle metal platin som katalysator. Imidlertid, enzymerne har brug for et vandigt miljø, hvilket gør det svært for udgangsmaterialet til reaktionen – brint – at nå frem til den enzymbelastede elektrode. Forskere løste dette problem ved at kombinere tidligere udviklede koncepter til emballering af enzymerne med gasdiffusionselektrodeteknologi. Systemet udviklet på denne måde opnåede væsentligt højere strømtætheder end tidligere opnået med hydrogenase brændselsceller.

I journalen Naturkommunikation , et hold fra Center for Elektrokemiske Videnskaber ved Ruhr-Universität Bochum, sammen med kolleger fra Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr og Universitetet i Lissabon, beskriver, hvordan de udviklede og testede elektroderne. Artiklen blev offentliggjort den 9. november 2018.

Fordele og ulemper ved gasdiffusionselektroder

Gasdiffusionselektroder kan effektivt transportere gasformige råmaterialer til en kemisk reaktion til elektrodeoverfladen med katalysatoren. De er allerede blevet testet i forskellige systemer, men katalysatoren var elektrisk forbundet direkte til elektrodeoverfladen. "I denne type system, kun et enkelt lag enzym kan påføres elektroden, som begrænser strømmen, " siger Bochum kemiker Dr. Adrian Ruff, beskriver en ulempe. Ud over, enzymerne var ikke beskyttet mod skadelige miljøpåvirkninger. I tilfælde af hydrogenase, imidlertid, dette er nødvendigt, fordi det er ustabilt i nærvær af ilt.

Redox polymer som et iltbeskyttelsesskjold

I de seneste år, kemikerne fra Center for Elektrokemiske Videnskaber i Bochum har udviklet en redoxpolymer, hvori de kan indlejre hydrogenaser og beskytte dem mod ilt. Tidligere, imidlertid, de havde kun testet denne polymermatrix på flade elektroder, ikke på porøse tredimensionelle strukturer, såsom dem, der anvendes i gasdiffusionselektroder.

"De porøse strukturer tilbyder et stort overfladeareal og muliggør dermed en høj enzymbelastning, siger professor Wolfgang Schuhmann, Leder af Center for Elektrokemiske Videnskaber. "Men det var ikke klart, om iltbeskyttelsesskjoldet på disse strukturer ville fungere, og om systemet så stadig ville være gasgennemtrængeligt."

Påføring af enzymer på elektroder

Et af problemerne med fremstillingsprocessen er, at elektroderne er hydrofobe, dvs vandafvisende, mens enzymerne er hydrofile, altså vandvenlig. De to overflader har derfor en tendens til at frastøde hinanden. Af denne grund, forskerne påførte først et klæbende, men elektronoverførende lag på elektrodeoverfladen, hvorpå de derefter påførte polymermatrixen med enzymet i et andet trin. "Vi syntetiserede specifikt en polymermatrix med en optimal balance mellem hydrofile og hydrofobe egenskaber, " forklarer Adrian Ruff. "Dette var den eneste måde at opnå stabile film med god katalysatorbelastning."

Elektroderne konstrueret på denne måde var stadig permeable for gas. Testene viste også, at polymermatrixen også fungerer som et iltskjold for porøse tredimensionelle elektroder. Forskerne brugte systemet til at opnå en strømtæthed på otte milliampere per kvadratcentimeter. Tidligere bioanoder med polymer og hydrogenase nåede kun en milliampere per kvadratcentimeter.

Funktionel biobrændselscelle

Holdet kombinerede bioanode beskrevet ovenfor med en biokatode og viste, at en funktionel brændselscelle kan fremstilles på denne måde. Den opnåede en effekttæthed på op til 3,6 milliwatt per kvadratcentimeter og en åben kredsløbsspænding på 1,13 volt, hvilket er lige under det teoretiske maksimum på 1,23 volt.