Co to jest komórka biopaliwowa?
Ogniwo biopaliwowe to urządzenie, które wykorzystuje materiały biologiczne do generowania elektryczności w bezpośredni sposób poprzez reakcje redoks. Kontrastuje to z konwencjonalnym zastosowaniem biopaliw do generowania elektryczności z ciepła dostarczanego przez spalanie materiału. Podstawą technologii ogniw biopaliwowych jest naśladowanie różnych naturalnych procesów, które są wykorzystywane do wytwarzania energii w organizmach żywych. W niektórych przypadkach bakterie mogą odgrywać rolę w tych ogniwach paliwowych. Od 2011 r. Ogniwa biopaliwowe wykazują potencjał jako alternatywne źródło energii oraz w różnych zastosowaniach medycznych i bioinżynieryjnych.
Organizmy żywe uzyskują energię z utleniania węglowodanów, które są wytwarzane przez fotosyntezę w roślinach i spożywane przez zwierzęta jako pokarm. Enzymy ułatwiają reakcje, w których węglowodany są przekształcane w dwutlenek węgla i wodę przez usunięcie elektronów, które są następnie przechowywane w cząsteczkach trifosforanu adenozyny (ATP). W ogniwie biopaliwowym elektrony wytwarzane przez utlenianie cząsteczek organicznych - zwykle węglowodanów, jak w organizmach żywych - są wykorzystywane do generowania prądu elektrycznego. Pomysł wykorzystania tych procesów biologicznych do generowania elektryczności istnieje już od lat 60. XX wieku, ale wczesne próby budowy praktycznego, działającego ogniwa na biopaliwa napotkały trudności.
Komórka na biopaliwa zwykle składa się z pojemnika podzielonego na dwie sekcje przepuszczalną barierą. W jednej sekcji utlenianie węglowodanów - na przykład glukozy - zapewnia elektrony. W drugiej części zachodzi reakcja redukcji, która wykorzystuje te elektrony. Łącząc dwie elektrody, można wytworzyć prąd z elektrody w sekcji utleniania - anody - do elektrody w sekcji redukcji - katody.
Jednym z największych problemów praktycznych utrudniających rozwój ogniw biopaliwowych jest znalezienie skutecznego sposobu na uwolnienie elektronów z węglowodanów do anody. Elektrony są początkowo przechowywane w enzymie utleniającym i w procesie naturalnym byłyby chemicznie przenoszone do cząsteczek ATP. Istnieją dwie możliwe metody ekstrakcji elektronów z enzymu na anodzie w ogniwie biopaliwowym.
W metodzie bezpośredniego transferu elektronów (DET) enzym musi być związany z anodą. Można tego dokonać chemicznie lub innymi metodami, takimi jak skonstruowanie anody z siatki nanorurek węglowych, na których adsorbowany jest enzym. Metody te skutkują zmniejszoną aktywnością enzymu i w konsekwencji utratą wydajności, ale w chwili pisania tego tekstu można opracować obszar trwających badań i ulepszone techniki.
Druga metoda przenoszenia elektronów znana jest jako mediowany transfer elektronów (MET). Nie wymaga to kontaktu enzymu z anodą; zamiast tego elektrony są przekazywane do innej cząsteczki o niższym potencjale redoks, która następnie oddaje elektrony anodzie. Ten związek, znany jako mediator, musi również mieć wyższy potencjał redoks niż anoda. Ten dodatkowy krok wiąże się z utratą energii, dlatego ogniwo paliwowe jest w praktyce mniej wydajne, niż mogłoby być w teorii.
Komórki biopaliw są obszarem aktywnych badań i badane są różne możliwe rozwiązania tych problemów. Jedną z możliwości jest zastosowanie bakterii w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych. Szczególnie obiecujące są bakterie redukujące żelazo, które żyją w warunkach beztlenowych, ponieważ naturalnie redukują żelazo w stopniu utlenienia +3 do stanu utlenienia +2. Żelazo może następnie oddać elektron na anodzie, powracając do swojego stanu +3 i działając jako naturalna cząsteczka mediatora, przenosząc elektrony z bakterii na anodę.
Głównymi zaletami ogniw biopaliwowych są to, że nie zanieczyszczają środowiska, nie wymagają drogich katalizatorów i używają zwykłych, niedrogich i łatwo odnawialnych surowców. Głównymi wadami ogniw biopaliwowych jest ich nieefektywność i niska moc wyjściowa. Jednak od 2011 r. Istnieją nadzieje na pokonanie tych problemów, otwierając nowe możliwości. Należą do nich nie tylko tania, czysta i odnawialna energia, ale także perspektywa wszczepionych komórek biopaliw, działających na substancjach wytwarzanych przez organizm, wykorzystywanych do zasilania urządzeń medycznych, takich jak rozruszniki serca.