«Биотопливный элемент» может заменить перезаряжаемые батареи

Ученые из Университета Сент-Луиса разработали гаджет, подходящий для фильма о Джеймсе Бонде. Представьте, что агент 007 неторопливо подходит к бару, заказывает свой фирменный мартини (взбалтывает, а не перемешивает) и, прежде чем сделать глоток, наполняет свой мобильный телефон несколькими каплями алкоголя, чтобы зарядить аккумулятор.

Исследователи разработали новый тип биотопливного элемента — батареи, работающей на спирте и ферментах, — которая может заменить перезаряжаемые батареи во всем, от ноутбуков до Palm Pilots. Вместо того, чтобы подключаться к стационарной розетке и ждать, эти новые батареи можно мгновенно зарядить несколькими миллилитрами спирта. Новые результаты были представлены сегодня на 225-м национальном собрании Американского химического общества, крупнейшего в мире научного общества, в Новом Орлеане.

Биотопливные элементы изучаются уже почти полвека, но технология не продвинулась до практического применения. Вместо того, чтобы использовать дорогие металлы для катализа реакции выработки энергии, эти клетки используют ферменты — молекулы, присутствующие во всех живых существах, которые ускоряют химические процессы в организме.

«Единственные элементы, потребляемые в биотопливном элементе, — это топливо и кислород из воздуха», — говорит Шелли Минтир, доктор философии, доцент кафедры химии Университета Сент-Луиса, представившая исследование. «В надлежащей среде фермент должен существовать в течение длительного периода времени. Именно с созданием этой среды в топливном элементе исследователи боролись годами», — говорит Минтир.

Ферменты чрезвычайно чувствительны к изменениям pH и температуры, и даже незначительное отклонение от идеальных условий может привести к инактивации ферментов, что приведет к дефициту энергии.

Типичный подход к преодолению этого барьера заключался в иммобилизации ферментов путем прикрепления их к электродам, но они по-прежнему имеют тенденцию к слишком быстрому распаду, чтобы быть полезными. Минтир и ее коллеги покрыли электроды полимером, который имеет специально подобранные мицеллы — поры, в которых ферменты находят идеальную «микросреду» для своего развития. «У этого фермента есть все, что ему нужно, чтобы функционировать в течение очень длительного периода времени, а не денатурировать, как обычно», — говорит Минтир. «В других исследованиях биотопливных элементов время жизни составляло несколько дней; наша методика позволяет сохранять активность ферментов в течение нескольких недель без значительного снижения мощности. При надлежащей оптимизации эти биотопливные элементы могут работать до месяца без подзарядки».

В большинстве других биотопливных элементов в качестве топлива используется метанол, но исследователи выбрали этанол, потому что он поддерживает большую активность ферментов. Этанол доступен в изобилии и дешев в производстве, его производство зависит от хорошо зарекомендовавшей себя кукурузной промышленности. Он также гораздо менее летуч, чем водород, который вызывает большой интерес как потенциальное альтернативное топливо для автомобилей.

Минтир и ее коллеги сосредотачиваются на небольших приложениях, при этом предварительные топливные элементы не превышают пяти квадратных сантиметров — размером с почтовую марку. «Мы протестировали, вероятно, от 30 до 50 этаноловых ячеек», — говорит Минтир.Они успешно заправляли свои ячейки водкой, джином, белым вином и разливным пивом («Топливным элементам не нравилась газировка», — говорит Минтир).

Хотя до потребительских приложений еще несколько лет, «эти результаты показывают применимость технологии биотопливных элементов и помогают перейти от чисто академических исследований к более практическим технологиям», — говорит Минтир.

Доклад об этом исследовании, ANYL 285, будет представлен в 15:15 в четверг, 27 марта, в конференц-центре Morial, комната 384, во время симпозиума «Микроэлектрохимические системы и массивы». Он также будет представлен на пресс-конференции в понедельник, 24 марта, в 9:00 в Morial Convention Center, комната 280.

Шелли Минтир, доктор философии, доцент кафедры химии в Университете Сент-Луиса.

#13466 Дата выпуска 27.03.2003

Доклад: ANYL 185. Ведущий: Шелли Минтир, доктор философии, доцент кафедры химии Университета Сент-Луиса.

Имена других сторонних групп, которые могли бы обсудить эту область исследований:

Гарольд Брайт в Управлении военно-морских исследований. Он является менеджером программы по биотопливным элементам.

ЗАПРЕЩЕНО НА ВЫПУСК: понедельник, 24 марта, 10:30 по центральному времени. Химия, Университет Сент-Луиса, 3501 Laclede Ave., Сент-Луис, Миссури, 63103

Мембраны Nafion, обработанные четвертичной солью бромида аммония, обеспечивают идеальную среду для иммобилизации ферментов. Поскольку эти мембраны Nafion, обработанные солью четвертичного бромида аммония, сохраняют электрические свойства Nafion и увеличивают массоперенос ионов и нейтральных частиц через мембрану, они также идеально подходят для модификации электродов.Таким образом, микромасштабные биоаноды с высокой плотностью тока формируются из электродов, модифицированных поли(метиленовым зеленым) (электрокатализатор для НАДН), которые были покрыты тонким слоем нафиона, обработанного солью бромида тетрабутиламмония, с ферментами дегидрогеназы, иммобилизованными внутри слоя. Биотопливные элементы этанол/O2, в которых используются эти биоаноды, давали удельную мощность от 1,16 мВт/см2 до 2,04 мВт/см2 в зависимости от соотношения алкогольдегидрогеназы и альдегиддегидрогеназы в полимерном слое. Биотопливные элементы метанол/O2, в которых используются эти биоаноды, обеспечивают плотность мощности 1,55 мВт/см2 и потенциал холостого хода 0,71 В.

ЗАПРЕЩЕНО НА ВЫПУСК: понедельник, 24 марта, 10:30, центральное времяANYL 285

Разработка и характеристика микробиоанодов для спиртовых/кислородных биотопливных элементов

* Кратко объясните простым языком, что вы сделали, почему это важно и каковы последствия, особенно для широкой публики.

Аккумуляторы обычно делятся на три категории: первичные, вторичные и топливные элементы. Первичные батареи — это одноразовые батареи, а вторичные — перезаряжаемые батареи. Топливный элемент — это устройство, которое непрерывно преобразует химическую энергию топлива (например, водорода) и окислителя непосредственно в электрическую энергию (он перезаряжается, добавляя больше топлива). Публика может быть наиболее знакома с этой технологией в отношении электромобилей, работающих на топливных элементах. Чаще всего в качестве топлива, обсуждаемого в отношении автомобильных топливных элементов, используется водород, а в качестве окислителя используется кислород из воздуха. Электричество вырабатывается, когда электроны отрываются от водородного топлива, проходя через протонообменную мембрану в клетке. Полученный ток используется для питания двигателя автомобиля, который выделяет водяной пар в виде выбросов.

Однако существуют проблемы, связанные с использованием водорода в качестве источника энергии для топливных элементов. Водород является чрезвычайно летучим веществом, что приводит к серьезным проблемам с хранением.Кроме того, для производства водорода в количествах, необходимых для облегчения работы системы общественного транспорта, требуются значительные затраты и инвестиции в энергию. Топливные элементы также полагаются на драгоценные металлы, такие как платина, для катализа полной реакции переноса электрона. Использование драгоценных металлов еще больше увеличивает расходы, связанные с такой технологией.

* Насколько нова эта работа и чем она отличается от других, которые могут проводить аналогичные исследования?

Исследования Университета Сент-Луиса направлены на создание топливного элемента, в котором в качестве источника топлива используется спирт, а в качестве катализатора — биомолекулы. Этот подход имеет несколько преимуществ. Выбор в качестве топлива спирта, а именно этанола, сразу удешевляет технологию. Жидкий этанол производится из кукурузы, и уже существует хорошо налаженная промышленность по его производству. Кроме того, этанол содержит на 34% больше энергии, чем используется для выращивания и сбора урожая кукурузы и ее перегонки в этанол. Это означает, что количество энергии, необходимое для производства этанола, меньше возможного выхода энергии в качестве топлива. Этанол — легковоспламеняющаяся жидкость, но он остается значительно менее летучим, чем бензин. Это означает, что проблем с хранением гораздо меньше, чем проблем, связанных с водородом, и текущие протоколы хранения бензина будут переноситься при использовании этанола.

Мы в Университете Сент-Луиса используем ферменты в топливных элементах вместо катализатора из драгоценного металла. Ферменты — это обычные молекулы, присутствующие во всех живых клетках и используемые для ускорения реакций, происходящих в клетке. Ферменты не расходуются в химических реакциях, и в надлежащей среде теоретически должны существовать вечно. Ферменты катализируют окисление спирта на электроде топливного элемента.

Топливные элементы, которые используют биологические молекулы в реакциях, генерирующих электричество, называются биотопливными элементами.Биотопливные элементы изучаются уже почти полвека, но не получили практического применения из-за недостаточной выходной мощности. Основная причина низкой выработки энергии связана с трудностями, связанными с использованием ферментов. Опять же, в надлежащей среде фермент должен существовать бесконечно долго. Именно с созданием такой среды в топливном элементе исследователи боролись годами. Ферменты очень чувствительны к изменениям рН и температуры. Даже незначительные отклонения от оптимальной среды приведут к инактивации фермента.

Кроме того, большинство исследований биотопливных элементов проводилось с метанолом, а не с этанолом в качестве источника топлива. Мы решили использовать этанол, а не метанол, поскольку он более распространен, дешевле в производстве и обладает более высокой активностью с используемым ферментом. Ранние биотопливные элементы содержали ферменты в растворе с топливом, а не в непосредственном контакте с электродом. Это привело к низкой плотности мощности и короткому времени жизни фермента. Исследователи продвинулись к иммобилизации фермента на поверхности электрода с помощью различных методов, которые привели к небольшому увеличению мощности, но с этим все еще было связано короткое время жизни. Для практического применения технологии биотопливных элементов эти препятствия еще предстоит преодолеть.

Наши исследования начали решать эти проблемы с помощью уникальной методики иммобилизации ферментов с использованием модифицированной полимерной мембраны. Мы используем ионообменный полимер, который часто используется в топливных элементах, но мы модифицируем полимер, чтобы обеспечить идеальные условия для иммобилизации фермента. Путем модификации полимера его кислотность снижается почти до нейтрального значения pH, а пористая структура мембраны увеличивается до размера, при котором образуются карманы идеального размера для улавливания и удержания ферментов, позволяя небольшим молекулам топлива проходить через мембрану. Эти карманы или поры обеспечивают стабильную среду для фермента, препятствуя инактивации.Затем этот полимер наносят на электрод в топливном элементе. В то время как другие исследования биотопливных элементов с иммобилизованными ферментами имели время жизни в несколько дней, наша методика позволяет исследовать активность ферментов в течение нескольких недель без значительного снижения мощности.

Наши биотопливные элементы, использующие этот метод иммобилизации, обеспечивают удельную мощность, в 32 раза превышающую удельную мощность современных биотопливных элементов других групп. Разработка электродов с большой площадью поверхности еще больше увеличит выходную мощность биотопливных элементов. Эти результаты доказывают применимость технологии биотопливных элементов и помогают перейти от чисто академических исследований к более практическим технологиям.

Ближайшее будущее биотопливных элементов – конкурентоспособная замена перезаряжаемым батареям. Единственным потребляемым элементом в биотопливном элементе является само топливо, и при правильной оптимизации эти биотопливные элементы могут работать до месяца без подзарядки. Подзарядка электронных устройств тоже будет невероятно простой. Представьте себе мгновенную подзарядку мобильного телефона, просто добавив несколько миллилитров спирта. Еще одним преимуществом использования этанола в качестве топлива (в подавляющем большинстве исследований биотопливных элементов использовался метанол) является его широкая доступность в повседневной жизни. Если ваш мобильный телефон разрядился посреди делового обеда, закажите стопку водки и перезарядите его. Точно так же эта технология может быть применена к аккумуляторам ноутбуков, КПК и любому перезаряжаемому источнику питания. Потребительские приложения можно представить в диапазоне 5-10 лет в качестве консервативной оценки, но, вполне вероятно, раньше. Наша группа уже приступила к разработке функциональных прототипов таких электронных устройств.

Как видно, биотопливные элементы предлагают привлекательную альтернативу водородно-кислородным топливным элементам. Они дешевле в эксплуатации из-за отсутствия драгоценных металлов и существующих мощностей по массовому производству спиртового топлива, которое также менее опасно при транспортировке.Наша группа преодолела традиционную проблему низкой выходной мощности биотопливных элементов путем иммобилизации ферментов в модифицированных полимерах, что позволило разработать практические приложения. Наконец, биотопливные элементы, использующие ферменты и этанол, представляют собой возможности для более удобного для потребителя продукта, который будет иметь долгий срок службы и простоту использования.

Д-р Шелли Минтир и Ник Эйкерс, Университет Сент-Луиса, Химический факультет, Monsanto Hall3501 Laclede Ave.St. Луи, Миссури 63103-2010