As células de combustível que trabalham com a enzima hidrogenase são, em princípio, tão eficientes quanto aqueles que contêm o caro metal precioso platina como catalisador. Contudo, as enzimas precisam de um ambiente aquoso, o que torna difícil para o material inicial da reação - hidrogênio - alcançar o eletrodo carregado com a enzima. Os pesquisadores resolveram esse problema combinando conceitos previamente desenvolvidos para empacotar as enzimas com a tecnologia de eletrodo de difusão de gás. O sistema desenvolvido desta forma alcançou densidades de corrente significativamente maiores do que as obtidas anteriormente com células a combustível de hidrogenase.

No jornal Nature Communications , uma equipe do Centro de Ciências Eletroquímicas da Ruhr-Universität Bochum, juntamente com colegas do Instituto Max Planck de Conversão Química de Energia em Mülheim an der Ruhr e da Universidade de Lisboa, descreve como eles desenvolveram e testaram os eletrodos. O artigo foi publicado em 9 de novembro de 2018.

Vantagens e desvantagens dos eletrodos de difusão de gás

Eletrodos de difusão de gás podem transportar com eficiência matérias-primas gasosas para uma reação química na superfície do eletrodo com o catalisador. Eles já foram testados em vários sistemas, mas o catalisador foi conectado eletricamente diretamente à superfície do eletrodo. “Neste tipo de sistema, apenas uma única camada de enzima pode ser aplicada ao eletrodo, que limita o fluxo de corrente, "diz o químico de Bochum, Dr. Adrian Ruff, descrevendo uma desvantagem. Além disso, as enzimas não foram protegidas de influências ambientais prejudiciais. No caso da hidrogenase, Contudo, isso é necessário porque é instável na presença de oxigênio.

Polímero redox como escudo de proteção de oxigênio

Nos últimos anos, os químicos do Centro de Ciências Eletroquímicas de Bochum desenvolveram um polímero redox no qual podem incorporar hidrogenases e protegê-las do oxigênio. Anteriormente, Contudo, eles só haviam testado esta matriz polimérica em eletrodos planos, não em estruturas tridimensionais porosas, como aquelas empregadas em eletrodos de difusão de gás.

"As estruturas porosas oferecem uma grande área de superfície e, portanto, permitem uma alta carga enzimática, "diz o professor Wolfgang Schuhmann, Chefe do Centro de Ciências Eletroquímicas. "Mas não estava claro se o escudo de proteção de oxigênio nessas estruturas funcionaria e se o sistema ainda seria permeável a gases."

Aplicação de enzimas aos eletrodos

Um dos problemas com o processo de fabricação é que os eletrodos são hidrofóbicos, ou seja, repelente de água, enquanto as enzimas são hidrofílicas, ou seja, compatível com a água. As duas superfícies, portanto, tendem a se repelir. Por esta razão, os pesquisadores primeiro aplicaram uma camada adesiva, porém de transferência de elétrons, à superfície do eletrodo, em que eles então aplicaram a matriz de polímero com a enzima em uma segunda etapa. "Nós sintetizamos especificamente uma matriz de polímero com um equilíbrio ideal de propriedades hidrofílicas e hidrofóbicas, "explica Adrian Ruff." Esta era a única maneira de obter filmes estáveis ​​com boa carga de catalisador. "

Os eletrodos construídos desta forma ainda eram permeáveis ​​ao gás. Os testes também mostraram que a matriz polimérica também funciona como escudo de oxigênio para eletrodos tridimensionais porosos. Os cientistas usaram o sistema para atingir uma densidade de corrente de oito miliamperes por centímetro quadrado. Os primeiros bioanodos com polímero e hidrogenase atingiam apenas um miliampere por centímetro quadrado.

Biocélula funcional

A equipe combinou o bioanodo descrito acima com um biocátodo e mostrou que uma célula de combustível funcional pode ser produzida desta forma. Alcançou uma densidade de potência de até 3,6 miliwatts por centímetro quadrado e uma tensão de circuito aberto de 1,13 volts, que está logo abaixo do máximo teórico de 1,23 volts.