Một tế bào nhiên liệu sinh học là gì?

Một tế bào nhiên liệu sinh học là một thiết bị sử dụng vật liệu sinh học để tạo ra điện theo cách trực tiếp thông qua các phản ứng oxi hóa khử.Điều này tương phản với việc sử dụng nhiên liệu sinh học thông thường để tạo ra điện từ nhiệt được cung cấp bởi quá trình đốt cháy vật liệu.Nguyên tắc đằng sau công nghệ tế bào nhiên liệu sinh học là bắt chước các quá trình tự nhiên khác nhau được sử dụng để tạo ra năng lượng trong các sinh vật sống.Trong một số trường hợp, vi khuẩn có thể đóng một vai trò trong các tế bào nhiên liệu này.Kể từ năm 2011, các tế bào nhiên liệu sinh học cho thấy tiềm năng như một nguồn năng lượng thay thế và trong các ứng dụng y tế và sinh học khác nhau. Các sinh vật sống có được năng lượng từ quá trình oxy hóa carbohydrate, được tạo ra bằng cách quang hợp trong thực vật và ăn vào thực phẩm của động vật.Các enzyme tạo điều kiện cho các phản ứng, trong đó carbohydrate được chuyển thành carbon dioxide và nước bằng cách loại bỏ các electron, sau đó được lưu trữ trong các phân tử adenosine triphosphate (ATP).Trong một tế bào nhiên liệu sinh học, các electron được sản xuất bởi quá trình oxy hóa các phân tử hữu cơ mdash;thường là carbohydrate, như trong các sinh vật sống mdash;được sử dụng để tạo ra một dòng điện.Ý tưởng sử dụng các quá trình sinh học này để tạo ra điện đã xuất hiện từ những năm 1960, nhưng những nỗ lực sớm để xây dựng một tế bào nhiên liệu sinh học thực tế, hoạt động gặp phải..Trong một phần, quá trình oxy hóa carbohydrate mdash;Ví dụ, glucose mdash;Cung cấp các electron.Trong phần khác, một phản ứng giảm diễn ra, sử dụng các electron này.Bằng cách kết nối hai điện cực, một dòng điện có thể được tạo từ điện cực trong phần oxy hóa mdash;cực dương mdash;đến điện cực trong phần giảm mdash;Cathode.Các electron ban đầu được lưu trữ trong enzyme oxy hóa và trong quá trình tự nhiên, sẽ được chuyển hóa học vào các phân tử ATP.Có hai phương pháp chiết xuất các electron từ enzyme vào cực dương trong một tế bào nhiên liệu sinh học. Trong phương pháp chuyển điện tử trực tiếp (DET), enzyme cần được liên kết vào cực dương.Điều này có thể được thực hiện về mặt hóa học hoặc bằng các phương pháp khác, chẳng hạn như xây dựng cực dương từ một lưới các ống nano carbon mà enzyme được hấp phụ.Những phương pháp này dẫn đến giảm hoạt động trong enzyme và do đó mất hiệu quả, nhưng tại thời điểm viết, một lĩnh vực nghiên cứu đang diễn ra và các kỹ thuật cải tiến có thể được phát triển.Chuyển giao (Met).Điều này không yêu cầu enzyme tiếp xúc với cực dương;Thay vào đó, các electron được truyền cho một phân tử khác với tiềm năng oxi hóa khử thấp hơn, sau đó từ bỏ các electron đến cực dương.Hợp chất này, được gọi là trung gian hòa giải, cũng phải có tiềm năng oxi hóa khử cao hơn cực dương.Bước bổ sung này liên quan đến việc mất năng lượng và vì vậy pin nhiên liệu trong thực tế kém hiệu quả hơn so với lý thuyết. Các tế bào nhiên liệu sinh học là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực và các giải pháp có thể khác nhau cho những vấn đề này đang được nghiên cứu.Trong số các khả năng là việc sử dụng vi khuẩn trong tế bào nhiên liệu vi sinh vật.Vi khuẩn giảm sắt sống trong điều kiện kỵ khí cho thấy lời hứa đặc biệt vì chúng tự nhiên giảm sắt ở trạng thái oxy hóa +3 xuống trạng thái oxy hóa +2.Sắt sau đó có thể từ bỏ một electron ở cực dương, trở về trạng thái +3 của nó và hoạt động như một phân tử hòa giải tự nhiên bằng cách chuyển các electron từ vi khuẩn sang cực dương., không yêu cầu các chất xúc tác đắt tiền và sử dụng nguyên liệu thô phổ biến, rẻ tiền và dễ dàng tái tạo.Những bất lợi chính củaCác tế bào nhiên liệu sinh học là sự kém hiệu quả và sản lượng năng lượng thấp của chúng.Tuy nhiên, tính đến năm 2011, có hy vọng rằng những vấn đề này có thể được khắc phục, mở ra một loạt các khả năng mới.Chúng bao gồm không chỉ năng lượng rẻ, sạch và tái tạo, mà còn là triển vọng của các tế bào nhiên liệu sinh học được cấy ghép, chạy trên các chất do cơ thể sản xuất, được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế như máy tạo nhịp tim.