Een biocel maken die net zo effectief is als een platina-brandstofcel:dat is de prestatie die onderzoekers van het Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) hebben bereikt, in samenwerking met het Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) en het Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (CNRS/Aix-Marseille Université). Drie jaar na het maken van hun eerste prototype biocel, de onderzoekers hebben zojuist een nieuwe mijlpaal bereikt en de prestaties en stabiliteit verhoogd. Deze biocel kan, op lange termijn, een alternatief bieden voor brandstofcellen waarvoor zeldzame en kostbare metalen nodig zijn, zoals platina. Hun werk werd gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen op 17 augustus, 2017.

Een brandstofcel zet chemische energie om in elektrische energie via waterstofverbranding. Hoewel het wordt beschouwd als een schone technologie - omdat het geen broeikasgassen uitstoot - gebruiken brandstofcellen wel kostbare zeldzame metaalkatalysatoren, zoals platina, om waterstof te oxideren en zuurstof te verminderen. In recente jaren, de identificatie van biokatalysatoren, enzymen met opmerkelijke eigenschappen, heeft het onderzoek op dit gebied nieuw leven ingeblazen:hun zuurstof, en vooral waterstof, transformatieactiviteit is vergelijkbaar met die van platina. Hydrogenase-activiteit was, tot voor kort, geremd door zuurstof en daarom onverenigbaar met gebruik in cellen.

Voor meerdere jaren, onderzoekers van het Laboratoire of Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS/Aix-Marseille Université) hebben een nieuwe generatie biocellen ontwikkeld. Ze hebben de chemische katalysator (platina) vervangen door bacteriële enzymen:aan de anode, hydrogenase (sleutel voor het omzetten van waterstof in veel micro-organismen), en bij de kathode, bilirubine-oxidase. Ze hebben nu een hydrogenase geïdentificeerd dat actief is in aanwezigheid van zuurstof en resistent is tegen sommige platinaremmers zoals koolmonoxide. In samenwerking met het Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux), ze onderzochten ook de biodiversiteit om hittestabiele enzymen te identificeren die bestand zijn tegen temperaturen tussen 25°C en 80°C.

Om deze bioprocessen van het laboratorium naar industriële ontwikkeling te verschuiven, moesten twee grote hindernissen worden genomen. In 2014, hun eerste prototype werd beperkt door zowel het lage vermogen dat het genereerde als door een gebrek aan enzymstabiliteit. Dus ze hadden een schaalverandering nodig, maar moest de activiteit van de enzymen behouden en ze beschermen tegen eventuele remmers. Een derde groot probleem was hoe de kosten te verlagen, dus onder andere ze moesten de hoeveelheid gebruikt enzym minimaliseren. Al deze kwesties vereisten fundamenteel en multidisciplinair onderzoek om licht te werpen op de factoren die bio-elektrokatalyse beperken.

Door de twee hittestabiele enzymen geleidelijk op te nemen in een op koolstof gebaseerde architectuur, de onderzoekers losten deze drie problemen op. Een koolstofvilt met een geschikte porositeit is de gastheerstructuur voor de enzymen, en dient ook als bescherming tegen chemische stoffen die worden gegenereerd wanneer zuurstof wordt verminderd, die de enzymactiviteit veranderen. De cel kan dus enkele dagen zonder prestatieverlies functioneren.

Met behulp van deze gecontroleerde architectuur en de intrinsieke eigenschappen van enzymen, de onderzoekers zijn er voor het eerst in geslaagd om het aandeel enzymen dat effectief deelneemt aan de huidige, te kwantificeren, wat aantoont dat de door de biokatalysator geleverde stromen erg lijken op de beoogde resultaten voor platina. Ze hebben ook een numeriek model ontwikkeld om de optimale geometrie van de cel te bepalen. Deze biocellen lijken dus een alternatief te zijn voor klassieke brandstofcellen:biomassa kan worden gebruikt om zowel de brandstof (waterstof) als de katalysator (de enzymen) te leveren, die van nature zijn, hernieuwbaar.