Forskare har utvecklat den första fullt fungerande biobränslecellen vars biokatalysatorer (enzymer som spelar en kritisk roll vid kraftproduktion) direkt självmonteras på elektroderna. På cirka 5 minuter, enzym-nanopartikelhybrider som läggs till en biobränslecellösning binder selektivt till antingen anoden eller katoden, och därmed bilda nyckelkomponenterna i biobränslecellen.

Forskarna, med Andreas Stemmer i spetsen, tillsammans med Alexander Trifonov och Ran Tel-Vered, alla på Nanotechnology Group på ETH Zürich, har publicerat ett papper om de självmonterade biobränslecellerna i ett nyligen utgåva av ACS Nano .

"Vi har demonstrerat en självmonterad biobränslecell som tillhandahåller energiproduktion på begäran som kan slås på och av av ett magnetfält, "Berättade Trifonov Phys.org . "Systemet gör det också möjligt att återanvända elektroder flera gånger med endast utbyte av de aktiva elementen."

Under de senaste åren har självmonteringsmetoder har undersökts som ett verktyg för att tillverka en mängd olika nanoskala strukturer, som har potentiella tillämpningar i bränsleceller, batterier, och andra energilagrings- och produktionsenheter. Vid självmontering, en av de vanligaste strategierna är att använda kraftfält (elektriska, magnetisk, etc.) för att göra vissa regioner mer energiskt gynnsamma för nanopartiklar, vägleda dem att aggregera i dessa regioner. Än så länge, dock, en fullt fungerande biobränslecell har ännu inte bildats med någon form av direkt självmonteringsmetod.

Biobränslecellen som rapporteras här är utformad för att omvandla fruktosinnehållande vätskor, som druvsaft, till elkraft. Att göra detta, cellen använder enzymer som ett aktivt element för att frigöra elektroner från sockret (genom oxidation) in i anoden. Sedan reser elektronerna genom en tråd till katoden, generera en elektrisk ström. Vid katoden, andra enzymer använder elektronerna (genom reduktion, motsatsen till oxidation) och syre som finns i lösningen för att producera vatten.

En av de största utmaningarna för biobränsleutveckling är att immobilisera oxidations- och reduktionskatalyserande enzymer som är tillräckligt nära elektroderna för att säkerställa att elektronerna som frigörs från sockret hamnar i syrereduktionsprocessen. Immobilisering är nödvändig så att oxidations- och reduktionsprocesserna sker samtidigt, möjliggör kontinuerligt strömflöde genom tråden. Om en av biobränslecellens fack (antingen katod eller anod) inte fungerar korrekt, hela processen stannar.

Det är här självmonteringsprocessen blir till stor hjälp, eftersom det tvingar båda typerna av enzymer (oxidationskatalysering och reduktionskatalysering) att nära binda till lämplig elektrod (anod eller katod, respektive). Enzymerna hybridiseras först med kolbelagda magnetiska nanopartiklar, som själva är fästa vid en av två typer av ligander, som är molekyler med speciella kemiska egenskaper. När en blandning av dessa enzym-nanopartikelhybrider placeras i biobränslecellen, reaktioner mellan liganderna och elektroderna tvingar de oxidationskatalyserande enzym-nanopartiklarna att binda till anoden, medan reduktionskatalyserande enzym-nanopartiklar binder till katoden. Detta uppnår målet att immobilisera enzymerna vid lämplig elektrod och möjliggör oavbrutna oxidations- och reduktionsprocesser.

Forskarna demonstrerade också en annan potentiellt användbar egenskap hos designen:demontering. Eftersom nanopartiklarna är magnetiska, ett applicerat magnetfält får enzym-nanopartiklar att lossna från elektroderna, avsluta strömmen och släppa nanopartiklarna i elektrolyten från vilken de kan avlägsnas. Sedan kan en ny sats med enzym-nanopartiklar tillsättas, som, som förut, monteras själv på elektroderna. Denna förmåga att uppdatera äldre, nedbrytning av biokatalysatorer med nya ger ett sätt att reenergisera cellen och förlänga dess livslängd.

Den nuvarande versionen av biobränslecellen har en relativt låg effekt jämfört med icke-självmonterade biobränsleceller, men forskarna förväntar sig att prestandan kan förbättras avsevärt med olika optimeringstekniker, som de planerar att undersöka i framtiden. Andra områden att utforska inkluderar att skräddarsy enzym-nanopartiklar med olika molekyler för olika funktioner, samt modifiera cellen för att använda olika bränslen.

"Framtidsplanen för detta ämne är att utöka den presenterade tekniken för olika typer av enzymer, vilket gör det möjligt att skörda energi från många olika bränslen (såsom glukos, laktat, alkoholer, etc.), "Sa Trifonov." Dessutom vi strävar efter att förlänga livslängden för sådana biobränsleceller, tillsammans med testning av olika kombinationer av interaktioner för självmonteringsprocessen för att förstora ytarean som täcks av enzymmagnetiska-nanopartikelhybrider (huvudproblemet med den demonstrerade tekniken) för att förbättra enhetens slutliga effekt. "

© 2019 Science X Network