Un equipo internacional de investigadores ha desarrollado un nuevo mecanismo para proteger las enzimas del oxígeno como biocatalizadores en las pilas de combustible. Las enzimas, conocidas como hidrogenasas, son tan eficientes como los catalizadores de metales preciosos, pero inestables cuando entran en contacto con el oxígeno. Por tanto, todavía no son adecuados para aplicaciones tecnológicas. El nuevo mecanismo de protección se basa en enzimas consumidoras de oxígeno que obtienen su energía del azúcar. Los investigadores demostraron que pudieron utilizar este mecanismo de protección para producir una celda de biocombustible funcional que funciona con hidrógeno y glucosa como combustible.

El equipo dirigido por el Dr. Adrian Ruff y el profesor Wolfgang Schuhmann del Centro de Ciencias Electroquímicas de Ruhr-Universität Bochum describe los resultados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza desde el 10 de septiembre de 2018 junto con colegas del Instituto Max Planck para la Conversión de Energía Química en Mülheim an der Ruhr y la Universidad de Lisboa.

El equipo del Centro de Ciencias Electroquímicas de Bochum ya había demostrado en estudios anteriores que las hidrogenasas pueden protegerse del oxígeno incorporándolas a un polímero. "Sin embargo, este mecanismo consumía electrones, que redujo el rendimiento de la pila de combustible, "dice Adrian Ruff." Además, parte del catalizador se usó para proteger la enzima ”. Por lo tanto, los científicos buscaron formas de desacoplar el sistema catalíticamente activo del mecanismo protector.

Las enzimas atrapan el oxígeno

Con la ayuda de dos enzimas, construyeron un sistema de eliminación de oxígeno alrededor del electrodo productor de corriente. Primero, los investigadores recubrieron el electrodo con hidrogenasas, que estaban incrustados en una matriz de polímero para fijarlos en su lugar. Luego colocaron otra matriz de polímero encima de la hidrogenasa, que encerró completamente la capa de catalizador subyacente. Contenía dos enzimas que usan azúcar para convertir oxígeno en agua.

El hidrógeno se oxida en la capa que contiene hidrogenasa en la parte inferior. El electrodo absorbe los electrones liberados en el proceso. La capa superior elimina el oxígeno nocivo.

Pila de combustible funcional construida

En experimentos posteriores, el grupo combinó los bioanodos descritos anteriormente con biocátodos, que también se basan en la conversión de glucosa. De este modo, el equipo produjo una célula de biocombustible funcional. "La glucosa de biomasa barata y abundante no es solo el combustible para el sistema de protección, sino que también impulsa el biocátodo y, por lo tanto, genera un flujo de corriente en la celda, "resume Wolfgang Schuhmann, jefe del Centro de Ciencias Electroquímicas y miembro del clúster de excelencia Ruhr Explores Solvation. La celda tenía un voltaje de circuito abierto de 1,15 voltios, el valor más alto jamás logrado para una celda que contiene un bioanodo a base de polímero.

"Suponemos que el principio detrás de este mecanismo de escudo protector puede transferirse a cualquier catalizador sensible si se selecciona la enzima adecuada que pueda catalizar la reacción de interceptación correspondiente, "dice Wolfgang Schuhmann.