Los investigadores han desarrollado la primera celda de biocombustible completamente funcional cuyos biocatalizadores (enzimas que desempeñan un papel fundamental en la generación de energía) se autoensamblan directamente en los electrodos. En unos 5 minutos, Los híbridos enzima-nanopartícula añadidos a una solución de celda de biocombustible se unen selectivamente al ánodo o al cátodo, y al hacerlo, forman los componentes clave de la célula de biocombustible.

Los investigadores, encabezada por Andreas Stemmer, junto con Alexander Trifonov y Ran Tel-Vered, todo en el Grupo de Nanotecnología de ETH Zürich, han publicado un artículo sobre las células de biocombustible autoensambladas en un número reciente de ACS Nano .

"Hemos demostrado una celda de biocombustible autoensamblada que proporciona generación de energía bajo demanda que puede encenderse y apagarse mediante un campo magnético, "Trifonov dijo Phys.org . "El sistema también permite que los electrodos se reutilicen varias veces con solo el intercambio de los elementos activos".

En años recientes, Los métodos de autoensamblaje se han investigado como una herramienta para fabricar una variedad de estructuras a nanoescala, que tienen aplicaciones potenciales en pilas de combustible, baterías y otros dispositivos de almacenamiento y generación de energía. En autoensamblaje, una de las estrategias más comunes es utilizar campos de fuerza (eléctricos, magnético, etc.) para hacer que ciertas regiones sean más favorables energéticamente a las nanopartículas, guiándolos a agregar en estas regiones. Hasta aquí, sin embargo, aún no se ha formado una celda de biocombustible completamente funcional utilizando ningún tipo de método de autoensamblaje directo.

La celda de biocombustible informada aquí está diseñada para convertir fluidos que contienen fructosa, como el jugo de uva, en energía eléctrica. Para hacer esto, la célula utiliza enzimas como elemento activo para liberar electrones del azúcar (a través de la oxidación) al ánodo. Luego, los electrones viajan a través de un cable hasta el cátodo, generando una corriente eléctrica. En el cátodo, otras enzimas usan los electrones (a través de la reducción, lo contrario de la oxidación) y el oxígeno presente en la solución para producir agua.

Uno de los mayores desafíos que enfrenta el desarrollo de biocombustibles es inmovilizar las enzimas catalizadoras de oxidación y reducción lo suficientemente cerca de los electrodos para garantizar que los electrones liberados del azúcar terminen en el proceso de reducción de oxígeno. La inmovilización es necesaria para que los procesos de oxidación y reducción ocurran simultáneamente, permitiendo el flujo de corriente continuo a través del cable. Si uno de los compartimentos de la celda de biocombustible (cátodo o ánodo) no funciona correctamente, todo el proceso se detiene.

Aquí es donde el proceso de autoensamblaje se vuelve muy útil, ya que obliga a ambos tipos de enzimas (oxidación-catalizadora y reducción-catalizadora) a unirse estrechamente al electrodo apropiado (ánodo o cátodo, respectivamente). Las enzimas se hibridan primero con nanopartículas magnéticas recubiertas de carbono, que están unidos a uno de los dos tipos de ligandos, que son moléculas con propiedades químicas especiales. Cuando se coloca una mezcla de estos híbridos enzima-nanopartícula en la celda de biocombustible, las reacciones entre los ligandos y los electrodos obligan a las nanopartículas de enzimas catalizadoras de oxidación a unirse al ánodo, mientras que las nanopartículas de enzima catalizadoras de reducción se unen al cátodo. Esto logra el objetivo de inmovilizar las enzimas en el electrodo apropiado y permite procesos de oxidación y reducción ininterrumpidos.

Los investigadores también demostraron otra característica potencialmente útil del diseño:el desmontaje. Como las nanopartículas son magnéticas, un campo magnético aplicado hace que las nanopartículas de enzimas se desprendan de los electrodos, terminando la corriente y liberando las nanopartículas en el electrolito del que se pueden eliminar. Luego se puede agregar un nuevo lote de nanopartículas de enzimas, cuales, como antes, autoensamblar sobre los electrodos. Esta capacidad de refrescar los viejos, La degradación de los biocatalizadores con otros nuevos proporciona una forma de revitalizar la célula y prolongar su vida útil.

La versión actual de la celda de biocombustible tiene una potencia de salida relativamente baja en comparación con las celdas de biocombustible no autoensambladas. pero los investigadores esperan que el rendimiento se pueda mejorar significativamente con varias técnicas de optimización, que planean investigar en el futuro. Otras áreas para explorar incluyen adaptar las nanopartículas de enzimas con diferentes moléculas para diversas funciones, así como modificar la celda para utilizar diferentes combustibles.

"El plan futuro para este tema es expandir la técnica presentada para varios tipos de enzimas, que permitirá la recolección de energía de muchos combustibles diferentes (como glucosa, lactato alcoholes, etc.), "Trifonov dijo." Además, nuestro objetivo es extender la vida útil de dichas células de biocombustible, junto con la prueba de diferentes combinaciones de interacciones para el proceso de autoensamblaje para ampliar la superficie cubierta por híbridos enzima-magnética-nanopartícula (el principal problema de la tecnología demostrada) para mejorar la salida de potencia final del dispositivo ".

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