Le celle a combustibile che funzionano con l'enzima idrogenasi sono, in linea di principio, altrettanto efficienti di quelli che contengono il costoso metallo prezioso platino come catalizzatore. Però, gli enzimi necessitano di un ambiente acquoso, il che rende difficile per il materiale di partenza per la reazione, l'idrogeno, raggiungere l'elettrodo caricato con enzima. I ricercatori hanno risolto questo problema combinando concetti sviluppati in precedenza per il confezionamento degli enzimi con la tecnologia degli elettrodi a diffusione di gas. Il sistema sviluppato in questo modo ha raggiunto densità di corrente significativamente più elevate rispetto a quelle precedentemente ottenute con le celle a combustibile idrogenasi.

Nel diario Comunicazioni sulla natura , un team del Centro per le scienze elettrochimiche della Ruhr-Universität Bochum, insieme ai colleghi dell'Istituto Max Planck per la conversione dell'energia chimica a Mülheim an der Ruhr e dell'Università di Lisbona, descrive come hanno sviluppato e testato gli elettrodi. L'articolo è stato pubblicato il 9 novembre 2018.

Vantaggi e svantaggi degli elettrodi a diffusione di gas

Gli elettrodi a diffusione di gas possono trasportare in modo efficiente materie prime gassose per una reazione chimica alla superficie dell'elettrodo con il catalizzatore. Sono già stati testati in vari sistemi, ma il catalizzatore è stato collegato elettricamente direttamente alla superficie dell'elettrodo. "In questo tipo di sistema, all'elettrodo può essere applicato un solo strato di enzima, che limita il flusso di corrente, " dice il chimico di Bochum Dr. Adrian Ruff, descrivere uno svantaggio. Inoltre, gli enzimi non erano protetti da influenze ambientali dannose. Nel caso dell'idrogenasi, però, questo è necessario perché instabile in presenza di ossigeno.

Polimero redox come scudo di protezione dall'ossigeno

Negli ultimi anni, i chimici del Centro per le scienze elettrochimiche di Bochum hanno sviluppato un polimero redox in cui possono incorporare idrogenasi e proteggerle dall'ossigeno. In precedenza, però, avevano solo testato questa matrice polimerica su elettrodi piatti, non su strutture tridimensionali porose come quelle impiegate negli elettrodi a diffusione di gas.

"Le strutture porose offrono un'ampia superficie e quindi consentono un elevato carico di enzimi, "dice il professor Wolfgang Schuhmann, Direttore del Centro di Scienze Elettrochimiche. "Ma non era chiaro se lo scudo di protezione dell'ossigeno su queste strutture avrebbe funzionato e se il sistema sarebbe stato ancora permeabile ai gas".

Applicazione di enzimi agli elettrodi

Uno dei problemi con il processo di fabbricazione è che gli elettrodi sono idrofobi, cioè idrorepellente, mentre gli enzimi sono idrofili, cioè amico dell'acqua. Le due superfici tendono quindi a respingersi. Per questa ragione, i ricercatori hanno prima applicato uno strato adesivo ma che trasferisce gli elettroni alla superficie dell'elettrodo, su cui hanno poi applicato la matrice polimerica con l'enzima in un secondo passaggio. "Abbiamo specificamente sintetizzato una matrice polimerica con un equilibrio ottimale di proprietà idrofile e idrofobe, " spiega Adrian Ruff. "Questo era l'unico modo per ottenere pellicole stabili con un buon caricamento del catalizzatore".

Gli elettrodi così costruiti erano ancora permeabili ai gas. I test hanno anche dimostrato che la matrice polimerica funge anche da scudo per l'ossigeno per elettrodi tridimensionali porosi. Gli scienziati hanno utilizzato il sistema per ottenere una densità di corrente di otto milliampere per centimetro quadrato. I bioanodi precedenti con polimero e idrogenasi raggiungevano solo un milliampere per centimetro quadrato.

Cella a biocombustibile funzionale

Il team ha combinato il bioanodo sopra descritto con un biocatodo e ha dimostrato che in questo modo è possibile produrre una cella a combustibile funzionale. Ha raggiunto una densità di potenza fino a 3,6 milliwatt per centimetro quadrato e una tensione a circuito aperto di 1,13 volt, che è appena al di sotto del massimo teorico di 1,23 volt.