Las celdas de combustible que trabajan con la enzima hidrogenasa son, en principio, tan eficientes como las que contienen el costoso platino de metales preciosos como catalizador. Sin embargo, las enzimas necesitan un ambiente acuoso, lo que dificulta el material de partida para elreacción - hidrógeno - para alcanzar el electrodo cargado de enzimas. Los investigadores resolvieron este problema combinando conceptos previamente desarrollados para empacar las enzimas con tecnología de electrodos de difusión de gas. El sistema desarrollado de esta manera logró densidades de corriente significativamente más altas que las logradas previamente con el combustible de hidrogenasacélulas.
en el diario Comunicaciones de la naturaleza , un equipo del Centro de Ciencias Electroquímicas de la Ruhr-Universität Bochum, junto con colegas del Instituto Max Planck para la Conversión de Energía Química en Mülheim an der Ruhr y la Universidad de Lisboa, describe cómo desarrollaron y probaron los electrodos.artículo publicado el 9 de noviembre de 2018.
Ventajas y desventajas de los electrodos de difusión de gas
Los electrodos de difusión de gas pueden transportar eficientemente materias primas gaseosas para una reacción química a la superficie del electrodo con el catalizador. Ya se han probado en varios sistemas, pero el catalizador se conectó eléctricamente directamente a la superficie del electrodo ". En este tipo de sistema, solo se puede aplicar una sola capa de enzima al electrodo, lo que limita el flujo de corriente ", dice el químico de Bochum, Dr. Adrian Ruff, describiendo una desventaja. Además, las enzimas no estaban protegidas de las influencias ambientales dañinas. En el casode hidrogenasa, sin embargo, esto es necesario porque es inestable en presencia de oxígeno.
polímero redox como escudo de protección de oxígeno
En los últimos años, los químicos del Centro de Ciencias Electroquímicas en Bochum han desarrollado un polímero redox en el que pueden incrustar hidrogenasas y protegerlas del oxígeno. Anteriormente, solo habían probado esta matriz de polímero en electrodos planos, no enestructuras tridimensionales porosas como las empleadas en electrodos de difusión de gas.
"Las estructuras porosas ofrecen una gran superficie y, por lo tanto, permiten una alta carga de enzimas", dice el profesor Wolfgang Schuhmann, Jefe del Centro de Ciencias Electroquímicas. "Pero no estaba claro si el escudo de protección de oxígeno en estas estructuras funcionaría y sisi el sistema aún sería permeable a los gases "
Aplicación de enzimas a electrodos
Uno de los problemas con el proceso de fabricación es que los electrodos son hidrófobos, es decir, repelentes al agua, mientras que las enzimas son hidrófilas, es decir, amigables con el agua. Por lo tanto, las dos superficies tienden a repelerse entre sí. Por esta razón, los investigadores primeroaplicó una capa adhesiva pero de transferencia de electrones a la superficie del electrodo, sobre la cual luego aplicaron la matriz polimérica con la enzima en un segundo paso. "Sintetizamos específicamente una matriz polimérica con un equilibrio óptimo de propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas", explica Adrian Ruff."Esta era la única forma de lograr películas estables con una buena carga de catalizador".
Los electrodos construidos de esta manera todavía eran permeables al gas. Las pruebas también mostraron que la matriz polimérica también funciona como un escudo de oxígeno para electrodos tridimensionales porosos. Los científicos utilizaron el sistema para lograr una densidad de corriente de ocho miliamperios por cuadradocentímetro. Los bioanodos anteriores con polímero e hidrogenasa solo alcanzaron un miliamperio por centímetro cuadrado.
celda de biocombustible funcional
El equipo combinó el bioanodo descrito anteriormente con un biocátodo y demostró que se puede producir una celda de combustible funcional de esta manera. Alcanzó una densidad de potencia de hasta 3.6 milivatios por centímetro cuadrado y un voltaje de circuito abierto de 1.13 voltios, que esjusto debajo del máximo teórico de 1.23 voltios.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Ruhr-Universidad Bochum . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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