Топливный элемент преобразует химическую энергию в электрическую посредством сжигания водорода. Хотя это считается чистой технологией, поскольку она не выделяет парниковые газы, в топливных элементах используются дорогостоящие катализаторы из редких металлов1, такие как платина, для окисления водорода и уменьшения содержания кислорода.
В последние годы идентификация биокатализаторов, ферментов с замечательными свойствами, оживила исследования в этой области: их активность по преобразованию кислорода, и особенно водорода, сопоставима с активностью платины. До недавнего времени активность гидрогеназы подавлялась кислородом и поэтому несовместима с использованием в клетках.В течение нескольких лет исследователи из Лаборатории биоэнергетики и инженерии белков (CNRS / Aix-Marseille Universite) разрабатывали новое поколение биоклеток.
Они заменили химический катализатор (платину) бактериальными ферментами: на аноде2 — гидрогеназа (ключ для превращения водорода во многие микроорганизмы), а на катоде3 — билирубиноксидаза. Теперь они идентифицировали гидрогеназу, которая активна в присутствии кислорода и устойчива к некоторым ингибиторам платины, таким как окись углерода.
В сотрудничестве с Исследовательским центром Поля Паскаля (CNRS / Universite de Bordeaux) они также исследовали биоразнообразие, чтобы определить термостойкие ферменты, которые могут выдерживать температуры от 25 ° C до 80 ° C.Чтобы перенести эти биопроцессы с лабораторных на промышленные разработки, необходимо было преодолеть два основных препятствия. В 2014 году их первый прототип был ограничен как низкой мощностью, так и отсутствием стабильности ферментов.
Таким образом, им нужно было изменить масштаб, но при этом необходимо было сохранить активность ферментов и защитить их от любых ингибиторов. Третья серьезная проблема заключалась в том, как снизить затраты, поэтому, среди прочего, им пришлось минимизировать количество используемых ферментов. Все эти вопросы потребовали фундаментального и многопрофильного исследования, направленного на то, чтобы пролить свет на факторы, ограничивающие биоэлектрокатализ.
Постепенно включив два термостабильных фермента в архитектуру на основе углерода, исследователи решили эти три проблемы. Углеродный войлок с подходящей пористостью является структурой хозяина для ферментов, а также служит защитой от химических веществ, образующихся при снижении содержания кислорода, которые изменяют активность ферментов. Таким образом, ячейка может функционировать без потери производительности в течение нескольких дней.Используя эту контролируемую архитектуру и внутренние свойства ферментов, исследователям впервые удалось количественно оценить долю ферментов, эффективно участвующих в токе, продемонстрировав, что токи, подаваемые биокатализатором, очень похожи на целевые результаты для платины.
Они также разработали численную модель для определения оптимальной геометрии ячейки. Таким образом, эти биоэлементы кажутся альтернативой классическим топливным элементам: биомасса может использоваться как топливо (водород), так и катализатор (ферменты), которые по своей природе являются возобновляемыми.1. Катализатор может активировать или ускорять химические реакции.
2. Электрод, на котором происходит реакция окисления. Это отрицательный полюс в электрическом элементе.
3. Электрод, на котором происходит реакция восстановления. Это положительный полюс в электрическом элементе.