Att göra en biocell som är lika effektiv som en bränslecell i platina:det är prestationen som forskare i Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) har uppnått, i samarbete med Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) och Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (CNRS/Aix-Marseille Université). Tre år efter att de gjorde sin första prototypbiocell, forskarna har just nått en ny milstolpe och ökat dess prestanda och stabilitet. Denna biocell kan, i det långa loppet, erbjuda ett alternativ till bränsleceller som kräver sällsynta och kostsamma metaller, såsom platina. Deras arbete publicerades i Energi- och miljövetenskap den 17 augusti, 2017.

En bränslecell omvandlar kemisk energi till elektrisk energi via väteförbränning. Även om det anses vara en ren teknik - eftersom den inte avger växthusgaser - använder bränsleceller kostsamma sällsynta metallkatalysatorer, som platina, att oxidera väte och minska syre. Under de senaste åren har identifiering av biokatalysatorer, enzymer med anmärkningsvärda egenskaper, har vitaliserat forskningen inom detta område:deras syre, och särskilt väte, transformationsaktivitet är jämförbar med platina. Hydrogenasaktivitet var, tills nyligen, hämmas av syre och är därför oförenlig med användning i celler.

För några år, forskare vid Laboratoire of Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) har utvecklat en ny generation bioceller. De har ersatt den kemiska katalysatorn (platina) med bakteriella enzymer:vid anoden, hydrogenas (nyckel för att omvandla väte till många mikroorganismer), och vid katoden, bilirubinoxidas. De har nu identifierat ett hydrogenas som är aktivt i närvaro av syre och resistent mot vissa platinahämmare som kolmonoxid. I samarbete med Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux), de undersökte också biologisk mångfald för att identifiera värmestabila enzymer som tål temperaturer mellan 25 ° C och 80 ° C.

För att flytta dessa bioprocesser från laboratoriet till industriell utveckling måste två stora hinder övervinnas. Under 2014, deras första prototyp begränsades av både den låga effekten den genererade och av bristen på enzymstabilitet. Så de behövde en skalaändring, men behövde behålla enzymens aktivitet och skydda dem från eventuella hämmare. Ett tredje stort problem var hur man skulle minska kostnaderna, så bland annat de var tvungna att minimera mängden enzym som användes. Alla dessa frågor krävde grundläggande och tvärvetenskaplig studie avsedd att belysa de faktorer som begränsar bioelektrokatalys.

Genom att gradvis införliva de två värmestabila enzymerna i en kolbaserad arkitektur, forskarna löste dessa tre problem. En kolfilt med lämpligt anpassad porositet är värdstrukturen för enzymerna, och fungerar också som skydd mot kemiska arter som genereras när syre reduceras, som förändrar enzymaktivitet. Så cellen kan fungera utan förlust av prestanda i flera dagar.

Med hjälp av denna kontrollerade arkitektur och enzymernas inneboende egenskaper, forskarna har lyckats för första gången att kvantifiera andelen enzymer som deltar effektivt i strömmen, visar att de strömmar som levereras av biokatalysatorn är mycket lika målresultaten för platina. De har också utvecklat en numerisk modell för att bestämma cellens optimala geometri. Så dessa bioceller verkar vara ett alternativ till klassiska bränsleceller:biomassa kan användas för att tillhandahålla både bränslet (väte) och katalysatorn (enzymerna), som är av natur, förnybar.