Bränsleceller som arbetar med enzymet hydrogenas är, i princip, lika effektiva som de som innehåller den dyra ädelmetallen platina som katalysator. Dock, enzymerna behöver en vattenhaltig miljö, vilket gör det svårt för utgångsmaterialet för reaktionen – väte – att nå den enzymladdade elektroden. Forskare löste detta problem genom att kombinera tidigare utvecklade koncept för förpackning av enzymerna med gasdiffusionselektrodteknologi. Systemet som utvecklats på detta sätt uppnådde betydligt högre strömtätheter än vad som tidigare uppnåtts med hydrogenasbränsleceller.

I journalen Naturkommunikation , ett team från Centre for Electrochemical Sciences vid Ruhr-Universität Bochum, tillsammans med kollegor från Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr och universitetet i Lissabon, beskriver hur de utvecklade och testade elektroderna. Artikeln publicerades den 9 november 2018.

Fördelar och nackdelar med gasdiffusionselektroder

Gasdiffusionselektroder kan effektivt transportera gasformiga råmaterial för en kemisk reaktion till elektrodytan med katalysatorn. De har redan testats i olika system, men katalysatorn kopplades elektriskt direkt till elektrodytan. "I den här typen av system, endast ett enda lager av enzym kan appliceras på elektroden, som begränsar strömflödet, " säger Bochums kemist Dr Adrian Ruff, beskriver en nackdel. Dessutom, enzymerna var inte skyddade från skadliga miljöpåverkan. När det gäller hydrogenas, dock, detta är nödvändigt eftersom det är instabilt i närvaro av syre.

Redoxpolymer som syreskyddssköld

På senare år har kemisterna från Centre for Electrochemical Sciences i Bochum har utvecklat en redoxpolymer där de kan bädda in hydrogenaser och skydda dem från syre. Tidigare, dock, de hade bara testat denna polymermatris på platta elektroder, inte på porösa tredimensionella strukturer såsom de som används i gasdiffusionselektroder.

"De porösa strukturerna erbjuder en stor yta och möjliggör därmed en hög enzymbelastning, säger professor Wolfgang Schuhmann, Chef för Centrum för elektrokemiska vetenskaper. "Men det var inte klart om syreskyddet på dessa strukturer skulle fungera och om systemet då fortfarande skulle vara gasgenomsläppligt."

Applicera enzymer på elektroder

Ett av problemen med tillverkningsprocessen är att elektroderna är hydrofoba, dvs vattenavvisande, medan enzymerna är hydrofila, dvs vattenvänlig. De två ytorna tenderar därför att stöta bort varandra. Av denna anledning, forskarna applicerade först ett självhäftande men ändå elektronöverföringsskikt på elektrodytan, på vilken de sedan applicerade polymermatrisen med enzymet i ett andra steg. "Vi syntetiserade specifikt en polymermatris med en optimal balans mellan hydrofila och hydrofoba egenskaper, " förklarar Adrian Ruff. "Detta var det enda sättet att uppnå stabila filmer med bra katalysatorbelastning."

Elektroderna konstruerade på detta sätt var fortfarande genomsläppliga för gas. Testerna visade också att polymermatrisen även fungerar som en syresköld för porösa tredimensionella elektroder. Forskarna använde systemet för att uppnå en strömtäthet på åtta milliampere per kvadratcentimeter. Tidigare bioanoder med polymer och hydrogenas nådde bara en milliampere per kvadratcentimeter.

Funktionell biobränslecell

Teamet kombinerade bioanoden som beskrivs ovan med en biokatod och visade att en funktionell bränslecell kan produceras på detta sätt. Den uppnådde en effekttäthet på upp till 3,6 milliwatt per kvadratcentimeter och en öppen kretsspänning på 1,13 volt, vilket är strax under det teoretiska maxvärdet på 1,23 volt.