Onderzoekers hebben de eerste volledig functionele biobrandstofcel ontwikkeld waarvan de biokatalysatoren (enzymen die een cruciale rol spelen bij de energieopwekking) zichzelf rechtstreeks op de elektroden assembleren. Over ongeveer 5 minuten, enzym-nanodeeltjeshybriden toegevoegd aan een biobrandstofceloplossing binden selectief aan de anode of de kathode, en vormen daarmee de belangrijkste componenten van de biobrandstofcel.

De onderzoekers, onder leiding van Andreas Stemmer, samen met Alexander Trifonov en Ran Tel-Vered, allemaal bij de Nanotechnology Group aan de ETH Zürich, hebben een artikel gepubliceerd over de zelf-geassembleerde biobrandstofcellen in een recent nummer van ACS Nano .

"We hebben een zelf-geassembleerde biobrandstofcel gedemonstreerd die on-demand stroomopwekking levert die kan worden in- en uitgeschakeld door een magnetisch veld, "Trifonov vertelde Phys.org . "Het systeem maakt het ook mogelijk om elektroden meerdere keren te hergebruiken met alleen uitwisseling van de actieve elementen."

In recente jaren, zelfassemblagemethoden zijn onderzocht als een hulpmiddel voor het fabriceren van een verscheidenheid aan structuren op nanoschaal, die potentiële toepassingen hebben in brandstofcellen, batterijen, en andere apparaten voor energieopslag en -opwekking. Bij zelfmontage, een van de meest voorkomende strategieën is het gebruik van krachtvelden (elektrisch, magnetisch, enz.) om bepaalde regio's energetisch gunstiger te maken voor nanodeeltjes, hen te begeleiden om zich in deze regio's te verzamelen. Tot dusver, echter, een volledig functionele biobrandstofcel is nog niet gevormd met enige vorm van directe zelfassemblage.

De hier gerapporteerde biobrandstofcel is ontworpen om fructosebevattende vloeistoffen om te zetten, zoals druivensap, in elektrische stroom. Om dit te doen, de cel gebruikt enzymen als een actief element om elektronen uit de suiker (door oxidatie) in de anode vrij te maken. Dan gaan de elektronen door een draad naar de kathode, het opwekken van een elektrische stroom. Bij de kathode, andere enzymen gebruiken de elektronen (door reductie, het omgekeerde van oxidatie) en zuurstof aanwezig in de oplossing om water te produceren.

Een van de grootste uitdagingen voor de ontwikkeling van biobrandstoffen is het immobiliseren van de oxidatie- en reductie-katalyserende enzymen dicht genoeg bij de elektroden om ervoor te zorgen dat de elektronen die vrijkomen uit de suiker in het zuurstofreductieproces terechtkomen. Immobilisatie is noodzakelijk zodat de oxidatie- en reductieprocessen gelijktijdig plaatsvinden, waardoor een continue stroom door de draad kan vloeien. Als een van de compartimenten van de biobrandstofcel (kathode of anode) niet goed werkt, het hele proces komt tot stilstand.

Dit is waar het zelfassemblageproces zeer nuttig wordt, omdat het beide soorten enzymen (oxidatie-katalyserende en reductie-katalyse) dwingt om nauw te binden aan de juiste elektrode (anode of kathode, respectievelijk). De enzymen worden eerst gehybridiseerd met met koolstof beklede magnetische nanodeeltjes, die zelf zijn bevestigd aan een van de twee soorten liganden, dat zijn moleculen met speciale chemische eigenschappen. Wanneer een mengsel van deze hybriden van enzymen en nanodeeltjes in de biobrandstofcel wordt geplaatst, reacties tussen de liganden en elektroden dwingen het oxidatie-katalyserende enzym-nanodeeltjes te binden aan de anode, terwijl het reductie-katalyserende enzym-nanodeeltjes aan de kathode binden. Dit bereikt het doel van het immobiliseren van de enzymen op de juiste elektrode en maakt ononderbroken oxidatie- en reductieprocessen mogelijk.

De onderzoekers demonstreerden ook een ander potentieel nuttig kenmerk van het ontwerp:demontage. Omdat de nanodeeltjes magnetisch zijn, een aangelegd magnetisch veld zorgt ervoor dat de enzym-nanodeeltjes loskomen van de elektroden, het beëindigen van de stroom en het vrijgeven van de nanodeeltjes in de elektrolyt waaruit ze kunnen worden verwijderd. Dan kan een verse partij enzym-nanodeeltjes worden toegevoegd, die, zoals eerder, zelf monteren op de elektroden. Dit vermogen om oudere, het afbreken van biokatalysatoren met nieuwe biedt een manier om de cel opnieuw te activeren en de levensduur ervan te verlengen.

De huidige versie van de biobrandstofcel heeft een relatief laag vermogen in vergelijking met niet-zelf-geassembleerde biobrandstofcellen, maar de onderzoekers verwachten dat de prestaties aanzienlijk kunnen worden verbeterd met verschillende optimalisatietechnieken, die ze in de toekomst gaan onderzoeken. Andere gebieden om te onderzoeken zijn onder meer het afstemmen van het enzym-nanodeeltjes met verschillende moleculen voor verschillende functies, evenals het aanpassen van de cel om verschillende brandstoffen te gebruiken.

"Het toekomstplan voor dit onderwerp is om de gepresenteerde techniek voor verschillende soorten enzymen uit te breiden, waarmee energie kan worden gewonnen uit veel verschillende brandstoffen (zoals glucose, melk geven, alcoholen, enzovoort.), ' zei Trifonov. 'Bovendien, we streven ernaar de levensduur van dergelijke biobrandstofcellen te verlengen, samen met het testen van verschillende combinaties van interacties voor het zelfassemblageproces om het oppervlak te vergroten dat wordt bedekt door enzym-magnetische-nanodeeltjeshybriden (het belangrijkste probleem van de gedemonstreerde technologie) om het uiteindelijke vermogen van het apparaat te verbeteren."

© 2019 Wetenschap X Netwerk