El equipo de investigación de Bochum:Julian Szczesny, Nikola Marković, Felipe Conzuelo, Wolfgang Schuhmann y Adrian Ruff (desde la izquierda). Crédito:RUB, Marquard
Las pilas de combustible que trabajan con la enzima hidrogenasa son, en principio, tan eficientes como los que contienen el caro metal precioso platino como catalizador. Sin embargo, las enzimas necesitan un ambiente acuoso, lo que dificulta que el material de partida de la reacción, el hidrógeno, llegue al electrodo cargado de enzima. Los investigadores resolvieron este problema combinando conceptos previamente desarrollados para empaquetar las enzimas con la tecnología de electrodos de difusión de gas. El sistema desarrollado de esta manera logró densidades de corriente significativamente más altas que las obtenidas anteriormente con las pilas de combustible de hidrogenasa.
En el diario Comunicaciones de la naturaleza , un equipo del Centro de Ciencias Electroquímicas de 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. El artículo fue 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 han sido probados 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, 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 nocivas. En el caso de la hidrogenasa, sin embargo, esto es necesario porque es inestable en presencia de oxígeno.
Polímero redox como escudo protector de oxígeno
En años recientes, Los químicos del Centro de Ciencias Electroquímicas de Bochum han desarrollado un polímero redox en el que pueden incrustar hidrogenasas y protegerlas del oxígeno. Previamente, sin embargo, solo habían probado esta matriz de polímero en electrodos planos, no sobre estructuras tridimensionales porosas como las empleadas en los electrodos de difusión de gas.
Los investigadores llevaron a cabo pruebas de celda de biocombustible en esta celda electroquímica. Crédito:RUB, Marquard
"Las estructuras porosas ofrecen una gran superficie y, por lo tanto, permiten una alta carga enzimática, "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 si el sistema seguiría siendo permeable a los gases".
Aplicar enzimas a los electrodos
Uno de los problemas del proceso de fabricación es que los electrodos son hidrofóbicos, es decir, repelente al agua, mientras que las enzimas son hidrofílicas, es decir, amigable con el agua. Por tanto, las dos superficies tienden a repelerse entre sí. Por esta razón, los investigadores primero aplicaron una capa adhesiva pero que transfiere electrones a la superficie del electrodo, sobre el que luego aplicaron la matriz polimérica con la enzima en un segundo paso. "Sintetizamos específicamente una matriz de polímero 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 de polímero 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 centímetro cuadrado. Los primeros bioanodos con polímero e hidrogenasa solo alcanzaban un miliamperio por centímetro cuadrado.
Célula de biocombustible funcional
El equipo combinó el bioanodo descrito anteriormente con un biocátodo y demostró que de esta manera se puede producir una pila de combustible funcional. Logró una densidad de potencia de hasta 3,6 milivatios por centímetro cuadrado y un voltaje de circuito abierto de 1,13 voltios, que está justo por debajo del máximo teórico de 1,23 voltios.
