Sony разрабатывает биобатарею, генерирующую электричество из сахара

К

Опубликовано

Флипборд

Реддит

Пинтерест

WhatsApp

WhatsApp

Электронная почта

Достигает самой высокой в ​​мире выходной мощности для биобатарей пассивного типа.

Сегодня Sony объявила о разработке биобатареи1, которая генерирует электричество из углеводов (сахара) с использованием ферментов в качестве катализатора, посредством применения принципов выработки энергии, обнаруженных в живых организмах.

Испытательные элементы этой биобатареи достигли выходной мощности 50 мВт, что на данный момент является самым высоким в мире уровнем2 для биобатарей пассивного типа3. Выходной мощности этих тестовых ячеек достаточно для воспроизведения музыки на Walkman с памятью.

4 прототипа биобатарей (слева), подключенных к Walkman для воспроизведения

Чтобы реализовать самую высокую в мире выходную мощность, Sony разработала систему расщепления сахара для выработки электричества, которая включает эффективную иммобилизацию ферментов и медиатора (материалов электронной проводимости), сохраняя при этом активность ферментов на аноде. Sony также разработала новую структуру катода, которая эффективно подает кислород к электроду, обеспечивая при этом необходимое содержание воды. Оптимизация электролита для этих двух технологий позволила достичь этих уровней выходной мощности.

Сахар — природный источник энергии, вырабатываемый растениями посредством фотосинтеза. Таким образом, он обладает регенеративными свойствами и может быть найден в большинстве районов Земли, что подчеркивает потенциал биобатарей на основе сахара как экологически чистого энергетического устройства будущего.

Sony продолжит разработку систем иммобилизации, состава электродов и других технологий для дальнейшего повышения выходной мощности и долговечности с целью реализации практического применения этих биобатарей в будущем.

Представленные здесь результаты исследования были приняты в качестве научной статьи на 234-м Национальном собрании и выставке Американского химического общества в Бостоне, штат Массачусетс, США, и были объявлены в 11 часов утра по местному времени 22 августа 2007 года.

Механизм биобатареи

Недавно разработанная биобатарея включает в себя анод, состоящий из ферментов и медиатора, расщепляющих сахар, и катод, содержащий ферменты и медиатор, восстанавливающие кислород, по обе стороны целлофанового сепаратора. Анод извлекает электроны и ионы водорода из сахара (глюкозы) путем ферментативного окисления следующим образом: Глюкоза -> Глюконолактон + 2 H+ + 2 e– Ион водорода мигрирует к катоду через сепаратор. Попав на катод, ионы и электроны водорода поглощают кислород из воздуха с образованием воды: (1/2) O2 + 2 H+ + 2 e– -> H2O. В ходе этого процесса электрохимической реакции электроны проходят через внешнюю цепь, генерировать электричество.

Ключевые достижения исследований и разработок биобатарей

1) Технология усиления иммобилизации ферментов и медиатора на электроде.

Для эффективного переваривания глюкозы анод должен содержать высокую концентрацию ферментов и медиатора с сохранением их активности. В этой технологии используются два полимера для прикрепления этих компонентов к аноду. Каждый полимер имеет противоположный заряд, поэтому электростатическое взаимодействие между двумя полимерами эффективно защищает ферменты и медиатор. Ионный баланс и процесс иммобилизации были оптимизированы для эффективного извлечения электронов из глюкозы.

2) Структура катода для эффективного поглощения кислорода.

Содержание воды внутри катода жизненно важно для обеспечения оптимальных условий для эффективного ферментативного восстановления кислорода. В биобатарее используются пористые углеродные электроды, несущие иммобилизованный фермент и медиатор, которые разделены целлофановым сепаратором. Оптимизация структуры и процесса электродов обеспечивает поддержание соответствующего уровня воды, повышая реактивность катода.

3) Оптимизация электролитов в соответствии со структурой ячеек биобатареи.