Ученые разработали защиту для чувствительных ферментов биотопливных элементов

Москва, 14:30, 18 Сен 2018, редакция FTimes.ru, автор Евгения Ковалева.

Международная команда исследователей разработала новый механизм защиты энзимов топливных элементов, выступающих в роли биокатализаторов, от кислорода.

Ферменты, известные как гидрогеназы, по эффективности не уступают катализаторам из ценных металлов, но становятся нестабильными при контакте с кислородом, сообщает sciencedaily.com. Из-за этого их нельзя использовать в технологических процессах. Новый защитный механизм основан на поглощающих кислород ферментах, получающих энергию из сахара. Исследователи показали, что эта методика может использоваться в создании функциональных биотопливных элементов, работающих с водородом и глюкозой в качестве горючего.

Выводы группы, возглавляемой доктором Адрианон Руффом и профессором Вольфгангом Шуманом из Русского университета в Бохуме, представлены в статье журнала Nature Communications. В исследовании также участвовали специалисты из Института химического преобразования энергии Макса Планка в Мюльхайме-на-Руре и Университета Лиссабона.

В прошлых работах авторы показали, что гидрогеназу можно защитить от кислорода, заключив в полимер.

«Но этот механизм потребляет электроны, что снижает эффективность топливных элементов, — объяснил Руфф. – Кроме того, для защиты энзима использовалась часть катализатора».

Ученые искали способ решить эти проблемы. С помощью двух ферментов они разработали систему удаления кислорода вокруг производящего ток электрода. Сначала исследователи заключили элемент в полимерную матрицу, чтобы зафиксировать. Затем нанесли аналогичную оболочку на гидрогеназу, полностью закрыв ей слой катализатора. Последний содержит два энзима, использующих сахар для превращения кислорода в воду. В нижнем слое с гидрогеназой происходит окисление водорода. Электрод поглощает выделяющиеся в процессе электроны. Верхний слой удаляет вредный кислород.

В последующих опытах группа соединила вышеописанные биоаноды с биокатодами, тоже основанные на преобразовании глюкозы. Система позволила получить функциональный топливный элемент с напряжением холостого хода в 1,15 В. Это – рекорд для устройств с полимерным биоанодом.