Biocélula monta-se sozinha para produzir eletricidade

Com informações da Phys.org - 09/08/2019

Saídas máximas de potência obtidas para (i) a configuração completa do biocombustível, (ii) sem ligantes, (iii) após um pré-tratamento térmico de 20 minutos e (iv) na ausência de combustível.
[Imagem: Trifonov et al - 10.1021/acsnano.9b03013]

Célula de biocombustível

Pesquisadores desenvolveram a primeira célula de biocombustível totalmente funcional cujos biocatalisadores - enzimas que desempenham um papel crítico na geração de energia - se automontam diretamente nos eletrodos, dispensando qualquer etapa de fabricação.

Em cerca de 5 minutos, híbridos de enzima e nanopartícula criados pela equipe, e adicionados à solução no interior da biocélula, ligam-se seletivamente ao anodo ou ao catodo, formando os principais componentes da célula de combustível microbiana.

"Nós demonstramos uma célula de biocombustível automontada que fornece geração de energia sob demanda, que pode ser ligada e desligada por um campo magnético. O sistema também permite que os eletrodos sejam reutilizados várias vezes apenas com a troca dos elementos ativos," descreveu Andreas Stemmer, do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça.

Automontagem

Um dos maiores desafios para o desenvolvimento de biocombustíveis está em imobilizar as enzimas catalisadoras da oxidação e da redução próximas aos eletrodos, para garantir que os elétrons liberados do combustível alimentem o processo de redução do oxigênio.

A imobilização é necessária para que os processos de oxidação e redução ocorram simultaneamente, permitindo o fluxo contínuo de corrente elétrica. Se um dos compartimentos da célula de biocombustível (catodo ou anodo) não funcionar corretamente, todo o processo se interrompe e a biocélula pára de gerar energia.

É aí que entra o processo de automontagem, que força os dois tipos de enzimas (catalisadora de oxidação e catalisadora de redução) a se ligarem ao eletrodo apropriado (anodo ou catodo, respectivamente).

As enzimas são primeiro hibridizadas com nanopartículas magnéticas revestidas de carbono, elas próprias ligadas a um de dois tipos de ligantes, que são moléculas com propriedades químicas que as tornam afeitas a cada um dos eletrodos. Quando a mistura desses híbridos de enzima-nanopartícula é colocada na célula de biocombustível, as reações entre os ligantes e os eletrodos forçam as nanopartículas de enzimas catalisadoras a se ligarem seletivamente, cada um em seu eletrodo, garantindo uma operação de geração de eletricidade contínua.

Biocélula com interruptor

Os pesquisadores também demonstraram outra característica potencialmente útil de sua biocélula, a desmontagem sob demanda. Como as nanopartículas são magnéticas, um campo magnético externo pode fazer com que as enzimas-nanopartículas se desprendam dos eletrodos, interrompendo a corrente e permitindo a remoção das nanopartículas do eletrólito.

Em seguida, um novo lote de nanopartículas de enzimas pode ser adicionado, refazendo o processo de automontagem e reiniciando a geração de energia a partir de um lote novinho em folha - essa capacidade de renovar os biocatalisadores fornece uma maneira de reenergizar a célula e prolongar sua vida útil.

A versão atual da célula de biocombustível tem uma produção de energia relativamente baixa em comparação com as células de biocombustível não-automontadas, mas os pesquisadores esperam que o desempenho possa ser significativamente melhorado com várias técnicas de otimização, que eles já começaram a investigar.

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