p Os pesquisadores desenvolveram a primeira célula de biocombustível totalmente funcional, cujos biocatalisadores (enzimas que desempenham um papel crítico na geração de energia) se montam diretamente nos eletrodos. Em cerca de 5 minutos, Os híbridos de nanopartículas de enzima adicionados a uma solução de biocombustível se ligam seletivamente ao ânodo ou ao cátodo, e, ao fazê-lo, formam os componentes-chave da célula de biocombustível. p Os pesquisadores, liderado por Andreas Stemmer, junto com Alexander Trifonov e Ran Tel-Vered, todos no Grupo de Nanotecnologia da ETH Zürich, publicaram um artigo sobre as células de biocombustível automontadas em uma edição recente da ACS Nano .

p "Demonstramos uma célula de biocombustível auto-montada que fornece geração de energia sob demanda que pode ser ligada e desligada por um campo magnético, "Trifonov disse Phys.org . "O sistema também permite que os eletrodos sejam reutilizados várias vezes com apenas a troca dos elementos ativos."

p Nos últimos anos, métodos de automontagem foram investigados como uma ferramenta para fabricar uma variedade de estruturas em nanoescala, que têm aplicações potenciais em células de combustível, baterias, e outros dispositivos de armazenamento e geração de energia. Na automontagem, uma das estratégias mais comuns é usar campos de força (elétricos, magnético, etc.) para tornar certas regiões mais energeticamente favoráveis ​​às nanopartículas, orientando-os para agregar nessas regiões. Até aqui, Contudo, uma célula de biocombustível totalmente funcional ainda não foi formada usando qualquer tipo de método de automontagem direta.

p A célula de biocombustível relatada aqui é projetada para converter fluidos contendo frutose, como suco de uva, em energia elétrica. Para fazer isso, a célula usa enzimas como um elemento ativo para liberar elétrons do açúcar (por meio da oxidação) para o ânodo. Em seguida, os elétrons viajam através de um fio para o cátodo, gerar uma corrente elétrica. No cátodo, outras enzimas usam os elétrons (por meio da redução, o reverso da oxidação) e o oxigênio presente na solução para produzir água.

p Um dos maiores desafios para o desenvolvimento de biocombustíveis é imobilizar as enzimas catalisadoras de oxidação e redução perto o suficiente dos eletrodos para garantir que os elétrons liberados do açúcar acabem no processo de redução de oxigênio. A imobilização é necessária para que os processos de oxidação e redução ocorram simultaneamente, permitindo o fluxo contínuo de corrente através do fio. Se um dos compartimentos da célula de biocombustível (cátodo ou ânodo) não funcionar corretamente, todo o processo é interrompido.

p É aqui que o processo de automontagem se torna muito útil, uma vez que força os dois tipos de enzimas (catalisadores de oxidação e catalisadores de redução) a se ligarem intimamente ao eletrodo apropriado (ânodo ou cátodo, respectivamente). As enzimas são primeiro hibridizadas com nanopartículas magnéticas revestidas de carbono, que estão ligados a um dos dois tipos de ligantes, que são moléculas com propriedades químicas especiais. Quando uma mistura desses híbridos de nanopartículas de enzima é colocada na célula de biocombustível, reações entre os ligantes e eletrodos forçam as nanopartículas de enzimas catalisadoras de oxidação a se ligarem ao ânodo, enquanto as nanopartículas de enzimas que catalisam a redução se ligam ao cátodo. Isso atinge o objetivo de imobilizar as enzimas no eletrodo apropriado e permite processos de oxidação e redução ininterruptos.

p Os pesquisadores também demonstraram outra característica potencialmente útil do projeto:a desmontagem. Como as nanopartículas são magnéticas, um campo magnético aplicado faz com que as nanopartículas de enzima se separem dos eletrodos, terminando a corrente e liberando as nanopartículas no eletrólito do qual podem ser removidas. Em seguida, um novo lote de nanopartículas de enzima pode ser adicionado, que, como antes, auto-montar nos eletrodos. Esta capacidade de atualizar mais velhos, degradar biocatalisadores com novos fornece uma maneira de reenergizar a célula e prolongar sua vida útil.

p A versão atual da célula de biocombustível tem uma produção de energia relativamente baixa em comparação com células de biocombustível não auto-montadas, mas os pesquisadores esperam que o desempenho possa ser significativamente melhorado com várias técnicas de otimização, que planejam investigar no futuro. Outras áreas a explorar incluem personalizar as nanopartículas de enzimas com diferentes moléculas para várias funções, bem como modificar a célula para usar diferentes combustíveis.

p “O plano futuro para este tópico é expandir a técnica apresentada para vários tipos de enzimas, que permitirá a coleta de energia de muitos combustíveis diferentes (como a glicose, lactato, álcoois, etc.), "Trifonov disse." Além disso, pretendemos estender a vida útil dessas células de biocombustível, junto com o teste de diferentes combinações de interações para o processo de automontagem para aumentar a área de superfície coberta por híbridos de nanopartículas magnéticas de enzima (o principal problema da tecnologia demonstrada) para aumentar a potência final do dispositivo. " p © 2019 Science X Network