Oddychające biobaterie z Instytutu Chemii Fizycznej PAN

W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie opracowano wydajną elektrodę do budowy bioogniw lub biobaterii tlenowo-cynkowych. Po umieszczeniu w ogniwie, nowa biokatoda przez wiele godzin wytwarza napięcie wyższe od otrzymywanego w dotychczasowych źródłach zasilania podobnej konstrukcji.

Zwykłe baterie i akumulatory nie nadają się do zasilania implantów w ludzkim ciele. Do ich budowy używane są silne zasady lub kwasy, które nie mogą dostać się do organizmu. Obudowa baterii musi więc gwarantować całkowitą szczelność. W skrajnych przypadkach obudowa zwykłej, tyle że zminiaturyzowanej baterii, musiałaby mieć masę nawet kilkadziesiąt razy większą od masy części aktywnej, wytwarzającej prąd. Bioogniwa paliwowe nie wymagają obudowy. Aby otrzymać prąd, wystarczy wprowadzić do organizmu same elektrody.

- Jednym z najpopularniejszych doświadczeń z elektrochemii jest zrobienie bateryjki z ziemniaka poprzez wetknięcie w niego odpowiednio dobranych elektrod. My robimy coś trochę podobnego, tyle że koncentrujemy się na bioogniwach i ulepszaniu katody. No i żeby całe przedsięwzięcie miało ręce i nogi, docelowo wolelibyśmy ziemniaka zastąpić... człowiekiem - mówi dr Martin Jönsson-Niedziółka.

W doświadczeniach grupa dr. Jönssona-Niedziółki wykorzystuje ogniwa tlenowo-cynkowe. Baterie zbudowane z ogniw tego typu były popularne zanim nastała era źródeł alkalicznych. - Obecnie w wielu laboratoriach prowadzi się badania nad bioogniwami glukozowo-tlenowymi. W najlepszym przypadku wytwarzają one prąd o napięciu 0,6-0,7 V. Bioogniwo cynkowo-tlenowe z naszą katodą może przez wiele godzin generować 1,75 V - mówi doktorantka Adrianna Złoczewska (na zdj. IChF PAN), której badania były finansowane w ramach programu MPD Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Głównym elementem biokatody opracowanej w IChF PAN jest enzym otoczony nanorurkami węglowymi i zamknięty w porowatej strukturze - matrycy polikrzemianowej osadzonej na membranie przepuszczającej tlen. Tak wykonana elektroda jest montowana we fragmencie ścianki małego pojemnika. Aby bioogniwo zadziałało, do wnętrza pojemnika wystarczy wlać elektrolit (tu: roztwór zawierający jony wodoru) i wsunąć w niego cynkową anodę. Pory w matrycy polikrzemianowej zapewniają dopływ tlenu z powietrza i jonów H+ z roztworu do centrów aktywnych enzymu, gdzie zachodzi redukcja tlenu. Nanorurki węglowe ułatwiają transport elektronów z powierzchni półprzepuszczalnej membrany.

Ogniwo z nową biokatodą może wytwarzać prąd o napięciu 1,6 V przez co najmniej półtora tygodnia. Z czasem wydajność ogniwa spada, prawdopodobnie wskutek stopniowej dezaktywacji enzymu na biokatodzie. W dotychczasowych eksperymentach cztery połączone szeregowo biobaterie, wyposażone w nową katodę, zasilały z powodzeniem dwudiodową lampkę.

Zanim oddychające biobaterie bazujące na konstrukcji opracowanej w Instytucie Chemii Fizycznej PAN zostaną upowszechnione, naukowcy muszą rozwiązać problem stosunkowo małej mocy, charakterystyczny dla wszystkich typów bioogniw.

źródło: Instytut Chemii Fizycznej PAN