Что такое биотопливная ячейка?

Биотопливная ячейка - это устройство, которое использует биологические материалы для прямого генерирования электричества посредством окислительно-восстановительных реакций. Это отличается от обычного использования биотоплива для выработки электроэнергии из тепла, выделяемого при сжигании материала. Принцип технологии биотопливных клеток состоит в том, чтобы имитировать различные природные процессы, которые используются для производства энергии в живых организмах. В некоторых случаях бактерии могут играть роль в этих топливных элементах. С 2011 года биотопливные элементы демонстрируют потенциал в качестве альтернативного источника энергии и в различных областях медицины и биоинженерии.

Живые организмы получают энергию от окисления углеводов, которые вырабатываются в результате фотосинтеза в растениях и поступают в организм животных в пищу. Ферменты облегчают реакции, в которых углеводы превращаются в углекислый газ и воду путем удаления электронов, которые затем накапливаются в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). В ячейке биотоплива электроны, образующиеся в результате окисления органических молекул - обычно углеводов, как в живых организмах - используются для генерации электрического тока. Идея использования этих биологических процессов для выработки электричества возникла с 1960-х годов, но первые попытки создать практичную, работающую биотопливную ячейку столкнулись с трудностями.

Биотопливная ячейка обычно состоит из контейнера, разделенного на две секции проницаемым барьером. В одном разделе окисление углеводов - например, глюкозы - дает электроны. В другом разделе происходит реакция восстановления, в которой используются эти электроны. Соединяя два электрода, можно получить ток от электрода в секции окисления - анода - к электроду в секции восстановления - катоду.

Одной из самых больших практических проблем, препятствующих развитию биотопливных ячеек, был поиск эффективного способа высвобождения электронов из углеводов в анод. Электроны первоначально хранятся в окислительном ферменте и в естественном процессе будут химически переноситься в молекулы АТФ. Существует два возможных метода извлечения электронов из фермента в анод в биотопливной ячейке.

В методе прямого переноса электрона (DET) фермент должен быть связан с анодом. Это может быть сделано химически или другими способами, такими как построение анода из сетки углеродных нанотрубок, на которые адсорбируется фермент. Эти методы приводят к снижению активности фермента и, как следствие, к потере эффективности, но это на момент написания статьи область текущих исследований и усовершенствованные методы могут быть разработаны.

Другой метод переноса электрона известен как опосредованный перенос электрона (МЕТ). Это не требует контакта фермента с анодом; вместо этого электроны передаются другой молекуле с более низким окислительно-восстановительным потенциалом, который затем отдает электроны аноду. Это соединение, известное как медиатор, также должно иметь более высокий окислительно-восстановительный потенциал, чем анод. Этот дополнительный шаг включает в себя потерю энергии, поэтому топливный элемент на практике менее эффективен, чем теоретически.

Биотопливные элементы являются областью активных исследований, и в настоящее время изучаются различные возможные решения этих проблем. Среди возможностей - использование бактерий в микробных топливных элементах. Железоредуцирующие бактерии, которые живут в анаэробных условиях, особенно перспективны, поскольку они естественным образом восстанавливают железо в степени окисления +3 до степени окисления +2. Затем железо может отдать электрон на аноде, возвращаясь в его состояние +3 и действуя как естественная молекула-посредник, передавая электроны от бактерий к аноду.

Основные преимущества биотопливных элементов состоят в том, что они не загрязняют окружающую среду, не требуют дорогих катализаторов и используют обычное, недорогое и легко возобновляемое сырье. Основными недостатками биотопливных элементов является их неэффективность и низкая выходная мощность. Однако с 2011 года есть надежда, что эти проблемы могут быть преодолены, открывая новые возможности. К ним относятся не только дешевая, чистая и возобновляемая энергия, но и перспектива имплантированных биотопливных клеток, работающих на веществах, вырабатываемых организмом, которые используются для питания медицинских устройств, таких как кардиостимуляторы.