Strømproduktion opnået af en selvsamlet biobrændselscelle

Forskere har udviklet den første fuldt funktionsdygtige biobrændselscelle, hvis biokatalysatorer (enzymer, der spiller en afgørende rolle i energiproduktionen) selv samles direkte på elektroderne. Om cirka 5 minutter, enzym-nanopartikelhybrider tilsat en biobrændselscelleopløsning binder selektivt til enten anoden eller katoden, og dermed udgøre nøglekomponenterne i biobrændselscellen.

Forskerne, ledet af Andreas Stemmer, sammen med Alexander Trifonov og Ran Tel-Vered, alle hos Nanotechnology Group ved ETH Zürich, har udgivet et papir om de selvsamlede biobrændselsceller i et nyligt nummer af ACS Nano .

"Vi har demonstreret en selvmonteret biobrændselscelle, der giver on-demand strømproduktion, der kan tændes og slukkes af et magnetfelt, " fortalte Trifonov Phys.org . "Systemet gør det også muligt at genbruge elektroder flere gange med kun udskiftning af de aktive elementer."

I de seneste år, selvsamlingsmetoder er blevet undersøgt som et værktøj til fremstilling af en række nanoskala strukturer, som har potentielle anvendelser i brændselsceller, batterier, og andre energilagrings- og genereringsanordninger. Ved selvmontering, en af ​​de mest almindelige strategier er at bruge kraftfelter (elektriske, magnetiske, osv.) at gøre visse regioner mere energisk gunstige for nanopartikler, vejlede dem til at aggregere i disse regioner. Indtil nu, imidlertid, en fuldt funktionel biobrændselscelle er endnu ikke blevet dannet ved hjælp af nogen form for direkte selvsamlingsmetode.

Den her rapporterede biobrændselscelle er designet til at omdanne væsker indeholdende fruktose, såsom druesaft, til elektrisk strøm. At gøre dette, cellen bruger enzymer som et aktivt element til at frigive elektroner fra sukkeret (gennem oxidation) ind i anoden. Så bevæger elektronerne sig gennem en ledning til katoden, genererer en elektrisk strøm. Ved katoden, andre enzymer bruger elektronerne (gennem reduktion, det modsatte af oxidation) og oxygen til stede i opløsningen for at producere vand.

En af de største udfordringer, som udviklingen af ​​biobrændstoffer står over for, er at immobilisere de oxidations- og reduktionskatalyserende enzymer tæt nok på elektroderne til at sikre, at elektronerne frigivet fra sukkeret ender i iltreduktionsprocessen. Immobilisering er nødvendig, så oxidations- og reduktionsprocesserne sker samtidigt, muliggør kontinuerlig strøm gennem ledningen. Hvis et af biobrændselscellens rum (enten katode eller anode) ikke fungerer korrekt, hele processen går i stå.

Det er her selvsamlingsprocessen bliver meget nyttig, da det tvinger begge typer enzymer (oxidationskatalyserende og reduktionskatalyserende) til at binde sig tæt til den passende elektrode (anode eller katode, henholdsvis). Enzymerne hybridiseres først med kulstofbelagte magnetiske nanopartikler, som selv er knyttet til en af ​​to typer ligander, som er molekyler med særlige kemiske egenskaber. Når en blanding af disse enzym-nanopartikel-hybrider placeres i biobrændselscellen, reaktioner mellem ligander og elektroder tvinger de oxidationskatalyserende enzym-nanopartikler til at binde sig til anoden, mens de reduktionskatalyserende enzym-nanopartikler binder sig til katoden. Dette opnår målet om at immobilisere enzymerne ved den passende elektrode og muliggør uafbrudte oxidations- og reduktionsprocesser.

Forskerne demonstrerede også en anden potentielt nyttig funktion ved designet:adskillelse. Da nanopartiklerne er magnetiske, et påført magnetfelt får enzym-nanopartiklerne til at løsne sig fra elektroderne, afslutte strømmen og frigive nanopartiklerne i elektrolytten, hvorfra de kan fjernes. Derefter kan et nyt parti enzym-nanopartikler tilføjes, hvilken, ligesom før, samles selv på elektroderne. Denne evne til at genopfriske ældre, nedbrydning af biokatalysatorer med nye giver en måde at genopbygge cellen og forlænge dens levetid.

Den nuværende version af biobrændselscellen har en relativt lav effekt sammenlignet med ikke-selv-samlede biobrændselsceller, men forskerne forventer, at ydeevnen kan forbedres væsentligt med forskellige optimeringsteknikker, som de planlægger at undersøge i fremtiden. Andre områder at udforske inkluderer at skræddersy enzym-nanopartiklerne med forskellige molekyler til forskellige funktioner, samt at modificere cellen til at bruge forskellige brændstoffer.

"Fremtidsplanen for dette emne er at udvide den præsenterede teknik til forskellige typer enzymer, som vil muliggøre energihøst ud af mange forskellige brændstoffer (såsom glukose, laktat, alkoholer, etc.), " sagde Trifonov. "Desuden, vi sigter mod at forlænge levetiden for sådanne biobrændselsceller, sammen med test af forskellige kombinationer af interaktioner til selvsamlingsprocessen for at forstørre overfladearealet dækket af enzym-magnetiske-nanopartikel-hybrider (hovedproblemet med den demonstrerede teknologi) for at forbedre enhedens endelige udgangseffekt."

© 2019 Science X Network