Co je to biopalivová buňka?

Biopalivová buňka je zařízení, které využívá biologické materiály k přímé výrobě elektřiny prostřednictvím redoxních reakcí. To je v kontrastu s konvenčním použitím biopaliv k výrobě elektřiny z tepla poskytovaného spalováním materiálu. Princip technologie biopalivových buněk spočívá v napodobování různých přírodních procesů, které se používají k produkci energie v živých organismech. V některých případech mohou v těchto palivových článcích hrát roli bakterie. Od roku 2011 mají buňky biopaliva potenciál jako alternativní zdroj energie a v různých lékařských a bioinženýrských aplikacích.

Živé organismy získávají energii z oxidace uhlohydrátů, které jsou generovány fotosyntézou v rostlinách a přijímány jako potrava zvířaty. Enzymy usnadňují reakce, při nichž se uhlohydráty přeměňují na oxid uhličitý a vodu odstraněním elektronů, které se pak ukládají v molekulách adenosintrifosfátu (ATP). V buňce biopaliva se pro generování elektrického proudu používají elektrony produkované oxidací organických molekul - obvykle uhlohydrátů, jako v živých organismech. Myšlenka využití těchto biologických procesů k výrobě elektřiny existuje již od šedesátých let, ale počáteční pokusy o konstrukci praktických, fungujících buněk biopaliv se setkaly s obtížemi.

Buňka biopaliva bude typicky sestávat z nádoby rozdělené na dvě sekce propustnou bariérou. V jedné části poskytuje oxidace uhlohydrátu - například glukózy - elektrony. V druhé části probíhá redukční reakce, která tyto elektrony používá. Spojením těchto dvou elektrod může být vytvořen proud z elektrody v oxidační sekci - anoda - na elektrodu v redukční sekci - katodu.

Jedním z největších praktických problémů, které brání rozvoji buněk biopaliv, bylo nalezení účinného způsobu, jak uvolnit elektrony z uhlohydrátů do anody. Elektrony jsou zpočátku uloženy v oxidačním enzymu a v přirozeném procesu by byly chemicky přeneseny do molekul ATP. Existují dva možné způsoby extrakce elektronů z enzymu do anody v buňce biopaliva.

Při metodě přímého přenosu elektronů (DET) musí být enzym navázán na anodu. To může být provedeno chemicky nebo jinými způsoby, jako je konstrukce anody ze sítě uhlíkových nanotrubic, na které je enzym adsorbován. Tyto metody vedou ke snížené aktivitě v enzymu a následné ztrátě účinnosti, ale v době psaní může být vyvinuta oblast probíhajícího výzkumu a zlepšené techniky.

Jiná metoda přenosu elektronů je známá jako zprostředkovaný elektronový přenos (MET). To nevyžaduje, aby byl enzym v kontaktu s anodou; místo toho jsou elektrony předávány do jiné molekuly s nižším redoxním potenciálem, který pak dává elektrony anodě. Tato sloučenina, známá jako mediátor, musí mít také vyšší redoxní potenciál než anoda. Tento další krok zahrnuje ztrátu energie, a proto je palivový článek v praxi méně účinný, než by mohl být teoreticky.

Buňky biopaliva jsou oblastí aktivního výzkumu a zkoumají se různá možná řešení těchto problémů. Mezi možnosti patří použití bakterií v mikrobiálních palivových buňkách. Bakterie redukující železo, které žijí v anaerobních podmínkách, vykazují zvláštní příslib, protože přirozeně redukují železo v oxidačním stavu +3 na oxidační stav +2. Železo se pak může vzdát elektronu na anodě, vrátit se do svého +3 stavu a působit jako molekula přírodního mediátoru přenosem elektronů z bakterií do anody.

Hlavní výhody biopalivových článků spočívají v tom, že nejsou znečišťující, nevyžadují drahé katalyzátory a používají běžné, levné a snadno obnovitelné suroviny. Hlavní nevýhodou biopalivových článků je jejich neefektivnost a nízký výkon. Od roku 2011 však existují naděje, že tyto problémy lze překonat a otevírají tak nové možnosti. Patří sem nejen levné, čisté a obnovitelné zdroje energie, ale také vyhlídky na to, aby se implantované biopalivové buňky, které běží na látky produkované tělem, využívaly k napájení lékařských zařízení, jako jsou kardiostimulátory.