Designing enzymatic fuel cell based on pseudocapacitive materials

Najistotniejszą wadą dotychczas konstruowanych enzymatycznych ogniw paliwowych jest niska gęstość i stabilność uzyskiwanej mocy w czasie. Rozwiązaniem tego problemu może być zwiększenie zakresu stosowalnych paliw oraz umożliwienie gromadzenia wytworzonej energii, a następnie uwalnanie w okresie szczególnego zapotrzebowania. Celem pracy doktorskiej była konstrukcja i zbadanie właściwości tzw. biosuperkondensatora: elektrochemicznego źródła energii łączącego cechy enzymatycznego ogniwa paliwowego oraz superkondensatora. Dzięki modyfikacji anody klastrem wieloenzymatycznym, urządzenie było zdolne do produkcji energii w roztworach zawierających glukozę, fruktozę, sacharozę lub ich mieszaninę. Stosowany klaster enymatyczny składał się z czterech enzymów: mutarotazy, inwertazy, dehydrogenazy D-fruktozowej oraz FAD-zależnej dehydrogenazy D-glukozowej. Jako katalizator reakcji katodowej – czteroelektronowej redukcji tlenu – zastosowano lakazę. Elementem zdolnym do akumulacji wytworzonego ładunku elektrycznego był materiał elektrodowy, na którym unieruchamiano enzymy – kompozytowy papier nanocelulozowo-polipirolowy. Nanoceluloza, izolowana z glonów Cladophorae sp. dzięki specyficznym właściwościom – nanometrycznej średnicy włókien, odporności mechanicznej i elastyczności stanowi rusztowanie do osadzania pseudopojemnościowego polimeru przewodzącego. Wyniki podjętych badań podstawowych ze stosowanymi oksydoreduktazami pokazują, że dzięki zastosowaniu w filmie elektrodowym pochodnej naftochinonu, stanowiącego mediator w reakcji przeniesienia ładunku dla enzymów anodowych, możliwe jest znaczne obniżenie nadpotencjału reakcji utleniania cukrów oraz zwiększenie stałej szybkości reakcji. Ten sam związek, będąc pochodną związków fenolowych, rozpoznawany przez centrum aktywne lakazy, doskonale sprawdza się jako czynnik orientujący białka wielomiedziowe, poprawiając znacznie kinetykę bezpośredniego przeniesienia ładunku między elektrodą, a katalizatorem redukcji tlenu. Pochodna naftochinonu została wprowadzona do warstwy modyfikującej elektrodę poprzez unieruchomienie odpowiednio zmodyfikowanych nanocząstek złota. Wynikiem połączenia korzystnych właściwości katalitycznych i pojemnościowych jest urządzenie zdolne do wytwarzania gęstości mocy ok 1 mW cm-2 w roztworze sacharozy, o maksymalnej pojemności specyficznej 1.8 F cm-2. Wykazano również, że stosowanie urządzenia w trybie pulsacyjnym umożliwia znaczne wydłużenie czasu pracy elementów bioelektrokatalitycznych zaprojektowanego urządzenia.