Projektowanie enzymatycznych ogniw paliwowych z wykorzystaniem materiałów o właściwościach pseudopojemnościowych

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

Multi-Substrate Biofuel Cell Utilizing Glucose, Fructose and Sucrose as the Anode Fuels

A significant problem still exists with the low power output and durability of the bioelectrochemical fuel cells. We constructed a fuel cell with an enzymatic cascade at the anode for efficient energy conversion. The construction involved fabrication of the flow-through cell by three-dimensional printing. Gold nanoparticles with covalently bound naphthoquinone moieties deposited on cellulose/polypyrrole (CPPy) paper allowed us to significantly improve the catalysis rate, both at the anode and cathode of the fuel cell. The enzymatic cascade on the anode consisted of invertase, mutarotase, Flavine Adenine Dinucleotide (FAD)-dependent glucose dehydrogenase and fructose dehydrogenase. The multi-substrate anode utilized glucose, fructose, sucrose, or a combination of them, as the anode fuel and molecular oxygen were the oxidant at the laccase-based cathode. Laccase was adsorbed on the same type of naphthoquinone modified gold nanoparticles. Interestingly, the naphthoquinone modified gold nanoparticles acted as the enzyme orienting units and not as mediators since the catalyzed oxygen reduction occurred at the potential where direct electron transfer takes place. Thanks to the good catalytic and capacitive properties of the modified electrodes, the power density of the sucrose/oxygen enzymatic fuel cells (EFC) reached 0.81 mW cm−2, which is beneficial for a cell composed of a single cathode and anode