» » » Био-батарейки, которые дышат кислородом

Био-батарейки, которые дышат кислородом

1703 0

Био-батарейка, которая дышит воздухом, была сконструирована научными сотрудниками Института физической химии Польской академии наук. Главным элементом, предоставляющим новый источник энергии с относительно высоким напряжением и длительным временем работы, является тщательно разработанный катод, который поглощает кислород из воздуха, и состоит из ферментов, углеродных нанотрубок и соли кремниевой кислоты.

В наше время люди постоянно используют преимущества устройств, которые поддерживают различные функции наших тел. Сегодня – это кардиостимуляторы или слуховые аппараты; завтра – это будут контактные линзы с автоматическим изменением фокусного расстояния или дисплеи, управляемые компьютером, которые генерируют изображения напрямую в глаз. Ни одно из этих устройств не будет работать без эффективного источника электропитания с длительным сроком службы. В этой ситуации наилучшим выходом является использование миниатюрных клеток биотоплива, потребляющих вещества, которые естественно вырабатываются в человеческом теле или в близлежащем окружении.

030813_lw_biobatteries.jpg

Научные сотрудники Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве разработали эффективный электрод, который используется при конструкции клеток биотоплива или био-батареек на основе окиси цинка. После установки в клетку, новый катод генерирует напряжение, в течение нескольких часов, которое выше, чем напряжение в существующих источниках питания подобных разработок. Наиболее интересно, что устройство дышит воздухом: оно работает на полную мощность, когда потребляет кислород напрямую из воздуха.

Существующие стандартные батарейки и перезаряжаемые батарейки не подходят для питания имплантатов внутри человеческого тела, поскольку они используют сильнодействующие химические вещества или кислоты. Эти вещества могут случайно попасть внутрь тела. Поэтому корпус батарейки должен быть очень прочным. Наряду со снижением размера батарейки необходимо обеспечить более улучшенную изоляцию. В крайних случаях, вес корпуса стандартной, миниатюрной батарейки должен быть в несколько раз выше, чем вес активных компонентов батарейки, которые генерируют электричество. Поэтому клетки биотоплива имеют существенное преимущество: им не нужен корпус. Для получения электричества достаточно вставить электрод внутрь человеческого тела.

“Один из наиболее популярных экспериментов в электрохимии – это изготовление батарейки путем прикрепления подходящих выбранных электродов к клубню картофеля. Мы делаем нечто подобное. Разница лишь в том, что мы фокусируемся на клетках биотоплива и усовершенствовании электрода. И, разумеется, для запуска всего проекта, мы заменяем картофель на …. человека”, сказал Мартин Йонссон-Неджиелка (Martin Jnsson-Niedzika).

В серии экспериментов, группа Йонссон-Неджиелки использует батарейки на основе окиси цинка. Принцип их действия не является чем то новым. Батарейки, сконструированные подобным методом, были популярны до появления алкалиновых источников питания. “В настоящее время, многие лаборатории работают над созданием клеток биотоплива по принципу окисления глюкозы. В лучшем случае, они генерируют напряжение величиной 0.6-0.7 В. Био-батарейка на основе окиси цинка с нашим электродом может генерировать напряжение 1.75 В, в течение нескольких часов”, сказала Адрианна Злочевска (Adrianna Zoczewska), докторант IPC PAS, чье исследование проводилось при поддержке Международной программы International PhD Projects Programme фонда Польской академии наук.

Главным компонентом катода, разработанного Институтом IPC PAS, является фермент, окруженный углеродными нанотрубками и заключенный в пористую структуру – матрицу соли кремниевой кислоты, размещенную на кислородопроницаемой мембране. “Наша группа работала в течение нескольких лет над методиками, которые были необходимы для создания катода, использующего ферменты, углеродные нанотрубки и матрицы соли кремниевой кислоты”, подчеркнул профессор Марчин Опалло (Marcin Opao).

Электрод, сконструированный подобным способом, устанавливается в стенку небольшого контейнера. Чтобы заставить клетку биотоплива работать, достаточно налить электролит, в данном случае – это раствор, который содержит ионы водорода, и вставить цинковый электрод в электролит. Поры в матрице соли кремниевой кислоты обеспечивают подачу кислорода из воздуха и положительных ионов водорода из раствора в активные зоны фермента, где происходит переработка кислорода. Углеродные нанотрубки облегчают транспортировку электронов с поверхности полупроницаемой мембраны.

Клетка вместе с новым электродом способна генерировать напряжение величиной 1.6 В, в течение минимально полутора недель. Эффективность клетки снижается с течением времени, из-за постепенной деактивации фермента на катоде. “Здесь еще не все зависит от нас, нужен качественный рывок в биотехнологии. Жизненный цикл клеток биотоплива с нашим катодом может быть значительно увеличен, если успешно разработать механизмы регенерации фермента”, сказал Йонссон-Неджиелка.

В экспериментах, проведенных до настоящего времени, набор из четырех батареек, соединенных последовательно, подавал питание для лампы, состоящей из двух светодиодов. Поэтому, чтобы клетки биотоплива, основанные на разработке научных сотрудников IPC PAS, стали популярны, разработчики должны решить проблему относительной низкой электрической мощности, которая свойственна всем типам клеток биотоплива.

Исследование, представленное в данном документе, является важным не только в связи с миниатюризацией источников электропитания для медицинских имплантатов, биодатчиков или светодиодных татуировок. Процессы, ответственные за генерирование электричества в клетках биотоплива, являются потенциально пригодными для генерирования электрической энергии в крупных масштабах. Сдерживающими факторами являются свойства ферментов, поэтому дальнейшее улучшение в этой области в значительной степени зависит от развития биотехнологий.


Комментариев пока нет, добавьте свой!