Fri, 2012-06-22 15:18 | 
Οι κυψελίδες ή κελιά καυσίμου (fuel cells) είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις που μετατρέπουν απευθείας τη χημική ενέργεια του καυσίμου σε ηλεκτρική χωρίς να παρεμβάλλεται το στάδιο της καύσης. Ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας τους διακρίνονται σε κυψελίδες υψηλής, ενδιάμεσης και χαμηλής θερμοκρασίας. Ανάλογα με τον ηλεκτρολύτη οι βασικότεροι τύποι είναι οι κυψελίδες καυσίμου: στερεού ηλεκτρολύτη (solid oxide fuel cell), τηγμένων ανθρακικών αλάτων (molten carbonate fuel cell), φωσφορικού οξέος (phosphoric acid fuel cell), αλκαλικού ηλεκτρολύτη (alkaline fuel cell) και πολυμερικού ηλεκτρολύτη (polymer electrolyte fuel cell).
Τις τελευταίες δεκαετίες, οι έρευνες της επιστημονικής κοινότητας επικεντρώνονται στην άμεση τροφοδοσία των κυψελίδων καυσίμου πολυμερικού ηλεκτρολύτη (polymer electrolyte fuel cell) με αλκοόλες, DAFC (direct alcohol fuel cell), με κύρια την μεθανόλη, ενώ το ερευνητικό ενδιαφέρον στρέφεται και στην αιθανόλη εξαιτίας των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζει σε σχέση με τη μεθανόλη και το υδρογόνο.
Ένας άλλος τύπος κυψελίδων καυσίμων που αναπτύσσεται τα τελευταία χρόνια είναι οι κυψελίδες βιοκαυσίμου (biofuel cells), στις οποίες ως καύσιμο τροφοδοτούνται κυρίως οργανικές ενώσεις. Ανάλογα με τον τύπο του καταλύτη διακρίνονται σε: μικροβιολογικές (χρησιμοποιούνται μικροβιακοί οργανισμοί ως καταλύτες, microbial fuel cells) και σε βιολογικές (χρησιμοποιούνται ένζυμα ως καταλύτες, biological, enzymatic fuel cells).
Στο σημείο αυτό επεισέρχεται η προτεινόμενη έρευνα, έχοντας ως στόχο την ανάπτυξη βιολογικών κυψελίδων καυσίμου, χωρίς ένζυμα, δηλαδή αβιοτικών βιολογικών κυψελίδων καυσίμου (abiotic biological fuel cells), με τροφοδοσία γλυκόζης.
Οι βιολογικές κυψελίδες καυσίμου μπορούν να έχουν ποικίλες εφαρμογές, για παράδειγμα ως γεννήτριες ρεύματος σε φορητές συσκευές ή ακόμα και σε εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές, π.χ. σε βηματοδότες.
Αν και μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνται μπαταρίες για τη λειτουργία των βηματοδοτών, οι επιπλοκές που παρουσιάζουν κατά τη λειτουργία τους και το περιορισμένο διάστημα ζωής τους, έστρεψαν την επιστημονική κοινότητα σε έρευνες για την αντικατάσταση τους με βιολογικέςκυψελίδες καυσίμου. Σε αντίθεση με τις μπαταρίες οι βιολογικές κυψελίδες παρουσιάζουν μεγαλύτερη λειτουργική σταθερότητα, πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα ζωής και βιοσυμβατότητα. Αναφέρεται ότι τοποθετούνται είτε απευθείας μέσα στη ροή του αίματος είτε σε έναν ιστό. Ωστόσο, η αρχή λειτουργίας τους είναι ίδια με εκείνη των κλασσικών κυψελίδων καυσίμου, με μόνη διαφορά ότι ως καύσιμο χρησιμοποιείται η γλυκόζη. Δηλαδή, ουσιαστικά γίνεται εκμετάλλευση της χημικής ενέργειας της γλυκόζης για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος.
Θεωρητικά η γλυκόζη μπορεί να οξειδωθεί πλήρως σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό δίνοντας 24 ηλεκτρόνια ανά μόριο γλυκόζης. Η αντίδραση η οποία θεωρητικά πραγματοποιείται κατά την οξείδωση της γλυκόζης είναι:
Άνοδος: C6H12O6 + 24OH- --> 6CO2 + 18H2O + 24e-
Κάθοδος: 6O2 + 12H2O + 24e- --> 24OH-
Ολική: C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O
Σε αυτό το σημείο αναφέρεται ότι ως καταλύτες εκτός από ένζυμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευγενή μέταλλα.
Ελάχιστες αναφορές από Ερευνητικά Ινστιτούτα και Εργαστήρια Πανεπιστημίων υπάρχουν σε παγκόσμια κλίμακα για βιολογικές κυψελίδες καυσίμου με τροφοδοσία γλυκόζης. Οι ήδη όμως υπάρχουσες αναφορές υποστηρίζουν πώς μέχρι σήμερα η αντίδραση της οξείδωσης της γλυκόζης έχει δώσει ως προϊόν γλουκονικό οξύ, δηλαδή μόλις δύο ηλεκτρόνια ανά μόριο γλυκόζης.
Με βάση τα παραπάνω η προτεινόμενη έρευνα, έχει ως στόχο:
- την εύρεση καταλυτών, την κατασκευή και τη λειτουργία αβιοτικής βιολογικής κυψελίδας καυσίμου, με σκοπό την πλήρη οξείδωση της γλυκόζης για την μέγιστη απόδοση ισχύος,
- την παρασκευή καταλυτών οι οποίοι θα είναι εκλεκτικοί ως προς την οξείδωση της γλυκόζης ή ως προς την αναγωγή του οξυγόνου για την ορθή λειτουργία της κυψελίδας σε φυσιολογικές συνθήκες ανθρώπινου σώματος, Τ=35-38°C, pH=7.1-7.4,
- την μοντελοποίηση των παραπάνω διεργασιών.
Η παρασκευή των εκλεκτικών καταλυτών είναι αναγκαία, διότι ένα πρόβλημα που παρουσιάζεται κατά την εφαρμογή ενός βηματοδότη που λειτουργεί με κυψελίδα στον οργανισμό είναι ότι μαζί με τη γλυκόζη στην άνοδο εισρέουν και άλλα συστατικά που υπάρχουν στο αίμα, όπως οξυγόνο, άλατα. Το ίδιο συμβαίνει και στην κάθοδο που θα έπρεπε να εισρέει μόνο οξυγόνο, για τη σωστή λειτουργία της κυψελίδας, αλλά εισέρχονται και άλλα στοιχεία, όπως γλυκόζη.
Βιβλιογραφία
[1] Van Wyk J P H. Biotechnology and the utilization of biowaste as a resource for bioproduct development.Trends in Biotechnology(2001);19(5):172-177.
[2] Swades K C, Derek R L. Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells.Nature Biotechnology(2003);211229-1232.
[3] Barton S C, Kim H-H, Binyamin G, Zhang Y, Heller A. The "Wired" Laccase Cathode:High Current Density Electroreduction of O2 to Water at +0.7 V (NHE) at pH 5.Journal of the American Chemical Society(2001);123(24):5802-5803.
[4] Barton S C, Gallaway J, Atanassov P. Enzymatic biofuel cells for implantable and microscale devices.Chem Rev(2004);104(10):4867-4886.
[5] Kim H-H, Zhang Y, Heller A. Bilirubin Oxidase Label for an Enzyme-Linked Affinity Assay with O2 as Substrate in a Neutral pH NaCl Solution.Analytical Chemistry(2004);76(8):2411-2414.
[6] Shleev S, Tkac J, Christenson A, Ruzgas T, Yaropolov A I, Whittaker J W, Gorton L. Direct electron transfer between copper-containing proteins and electrodes.Biosensors and Bioelectronics(2005);20(12):2517-2554.
[7] Bullen R A, Arnot T C, Lakeman J B, Walsh F C. Biofuel cells and their development.Biosensors and Bioelectronics(2006);21(11):2015-2045.
[8] Kang C, Shin H, Heller A. On the stability of the "wired" bilirubin oxidase oxygen cathode in serum.Bioelectrochemistry(2006);68(1):22-26.
[9] Gao F, Yan Y, Su L, Wang L, Mao L. An enzymatic glucose/O2 biofuel cell: Preparation, characterization and performance in serum.Electrochem Commun(2007);9(5):989-996.
[10] Jia F, Yu C, Deng K, Zhang L. Nanoporous Metal (Cu, Ag, Au) Films with High Surface Area: General Fabrication and Preliminary Electrochemical Performance.J Phys Chem C(2007);111(24):8424-8431.
[11] Shen Q, Jiang L, Zhang H, Min Q, Hou W, Zhu J-J. Three-dimensional Dendritic Pt Nanostructures: Sonoelectrochemical Synthesis and Electrochemical Applications.J Phys Chem C(2008);112(42):16385-16392.
[12] Kloke A, Kloke C, Zengerle R, Kerzenmacher S. Porous Platinum Electrodes Fabricated by Cyclic Electrodeposition of PtCu Alloy: Application to Implantable Glucose Fuel Cells.J Phys Chem C(2012);116(37):19689-19698.
[13] Apblett C A, Ingersoll D, Sarangapani S, Kelly M, Atanassov P (2010) Direct Glucose Fuel Cell: Noble Metal Catalyst Anode Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell with Glucose Fuel. vol 157. First published. doi:10.1149/1.3248004.
[14] Yan X, Ge X, Cui S (2011) Pt-decorated nanoporous gold for glucose electrooxidation in neutral and alkaline solutions. vol 6. First published.
[15] Xie F, Huang Z, Chen C, Xie Q, Huang Y, Qin C, Liu Y, Su Z, Yao S. Preparation of Au-film electrodes in glucose-containing Au-electroplating aqueous bath for high-performance nonenzymatic glucose sensor and glucose/O2 fuel cell.Electrochem Commun(2012);18(0):108-111.
[16] Huang W, Wang M, Zheng J, Li Z. Facile Fabrication of Multifunctional Three-Dimensional Hierarchical Porous Gold Films via Surface Rebuilding.J Phys Chem C(2009);113(5):1800-1805.
[17] Pasta M, Ruffo R, Falletta E, Mari C M, Pina C D. Alkaline glucose oxidation on nanostructured gold electrodes.Gold Bulletin(2010);43(1):57-64.
[18] Basu D, Basu S. A study on direct glucose and fructose alkaline fuel cell.Electrochim Acta(2010);55(20):5775-5779.
[19] Basu D, Basu S. Synthesis, characterization and application of platinum based bi-metallic catalysts for direct glucose alkaline fuel cell.Electrochim Acta(2011);56(17):6106-6113.
[20] Basu D, Basu S. Synthesis and characterization of Pt-Au/C catalyst for glucose electro-oxidation for the application in direct glucose fuel cell.Int J Hydrogen Enrg(2011);36(22):14923-14929.
[21] Oncescu V, Erickson D (2013) High volumetric power density, non-enzymatic, glucose fuel cells. Scientific Reports, vol 3.
[22] Kerzenmacher S, Kräling U, Metz T, Zengerle R, von Stetten F. A potentially implantable glucose fuel cell with Raney-platinum film electrodes for improved hydrolytic and oxidative stability.J Power Sources(2011);196(3):1264-1272.
[23] Kerzenmacher S, Kräling U, Schroeder M, Brämer R, Zengerle R, Von Stetten F. Raney-platinum film electrodes for potentially implantable glucose fuel cells. Part 2: Glucose-tolerant oxygen reduction cathodes.J Power Sources(2010);195(19):6524-6531.
[24] Kerzenmacher S, Schroeder M, Brämer R, Zengerle R, Von Stetten F. Raney-platinum film electrodes for potentially implantable glucose fuel cells. Part 1: Nickel-free glucose oxidation anodes.J Power Sources(2010);195(19):6516-6523.
[25] Fujiwara N, Yamazaki S-i, Siroma Z, Ioroi T, Senoh H, Yasuda K. Nonenzymatic glucose fuel cells with an anion exchange membrane as an electrolyte.Electrochem Commun(2009);11(2):390-392.
[26] Yin H, Zhou C, Xu C, Liu P, Xu X, Ding Y. Aerobic Oxidation of d-Glucose on Support-Free Nanoporous Gold.J Phys Chem C(2008);112(26):9673-9678.
[27] Spets J P, Kiros Y, Kuosa M A, Rantanen J, Lampinen M J, Saari K. Bioorganic materials as a fuel source for low-temperature direct-mode fuel cells.Electrochim Acta(2010);55(26):7706-7709.
[28] Yan X, Ge X, Cui S. Pt-decorated nanoporous gold for glucose electrooxidation in neutral and alkaline solutions.Nanoscale Res Lett(2011);6(1):313.
[29] Liu Z, Huang L, Zhang L, Ma H, Ding Y. Electrocatalytic oxidation of d-glucose at nanoporous Au and Au-Ag alloy electrodes in alkaline aqueous solutions.Electrochim Acta(2009);54(28):7286-7293.
[30] Jin C, Taniguchi I. Electrocatalytic activity of silver modified gold film for glucose oxidation and its potential application to fuel cells.Mater Lett(2007);61(11-12):2365-2367.
[31] Cuevas-Muñiz F M, Guerra-Balcázar M, Castaneda F, Ledesma-García J, Arriaga L G. Performance of Au and AuAg nanoparticles supported on Vulcan in a glucose laminar membraneless microfuel cell.J Power Sources(2011);196(14):5853-5857.
[32] Basu D, Basu S. Performance studies of Pd-Pt and Pt-Pd-Au catalyst for electro-oxidation of glucose in direct glucose fuel cell.Int J Hydrogen Enrg(2012);37(5):4678-4684.
[33] Song S, Wang Y, Shen P K. Pulse-microwave assisted polyol synthesis of highly dispersed high loading Pt/C electrocatalyst for oxygen reduction reaction.J Power Sources(2007);170(1):46-49.
