Científicos Descubren Un Método Para Utilizar Biocatalizadores Rentables En Pilas De Combustible

Uso de biocatalizadores rentables en pilas de combustible

El hidrogel redox, desarrollado por investigadores en Bochum y Mülheim, actúa como un escudo protector para una hidrogenasa. Evita que el sensible biocatalizador sea dañado por el oxígeno. Crédito: Ruhr-Universität Bochum / MPI para la conversión de energía química en Mülheim

Los científicos del Centro de Ciencias Electroquímicas y el Instituto Max Planck han descubierto una forma de utilizar biocatalizadores rentables en las pilas de combustible, un paso adelante en el uso de hidrógeno para generar electricidad.

En el futuro, podría ser más económico y ecológico utilizar hidrógeno para generar electricidad. Científicos del Centro de Ciencias Electroquímicas (CES) de la Ruhr-Universität Bochum y del Instituto Max Planck de Conversión de Energía Química en Mülheim an der Ruhr han encontrado una forma de utilizar biocatalizadores rentables en las pilas de combustible. Las pilas de combustible generan electricidad al convertir hidrógeno y oxígeno en agua. Anteriormente, los científicos e ingenieros utilizaban catalizadores a base de metales preciosos para este proceso. Si bien estos eran eficientes y estables, también eran costosos y solo estaban disponibles en pequeñas cantidades. El equipo de investigadores de Bochum y Mülheim ha encontrado una forma de proteger las enzimas muy eficientes con un polímero frente a las condiciones de las pilas de combustible que pueden destruir rápidamente los biocatalizadores desprotegidos.

Muchas bacterias y algas están por delante de la tecnología. Utilizan hidrogenasas, es decir, enzimas o biocatalizadores de elementos ampliamente disponibles como el hierro y el níquel, para generar hidrógeno, evitando por completo el uso de metales preciosos como el platino. Las hidrogenasas actúan como catalizadores no solo en la generación de hidrógeno, sino también en su captación para producir electrones, que luego pueden ser utilizados por las pilas de combustible para generar electricidad, siendo el agua el único producto de desecho. Las hidrogenasas más eficientes alcanzan las mismas tasas de conversión que el platino. “Por tanto, las hidrogenasas pueden ser una alternativa interesante a los metales preciosos”, dice Wolfgang Schuhmann, que ocupa la cátedra de Química Analítica en la Ruhr-Universität Bochum.

Sin embargo, hasta ahora, la tecnología no podía hacer uso de estas enzimas en las pilas de combustible. Esto se debe a que las hidrogenasas no pueden funcionar en las condiciones que prevalecen en una pila de combustible, donde el nivel de oxígeno y el alto potencial eléctrico desactivan los biocatalizadores.

Hidrogel redox: un escudo protector para catalizadores eficientes pero sensibles

El equipo de Bochum y Mülheim ha desarrollado ahora un concepto que permitirá que los catalizadores sensibles funcionen en las pilas de combustible. Esencialmente, los investigadores protegen el catalizador con una matriz protectora, cuyas propiedades han adaptado de tal manera que el material suprime los procesos de desactivación.

En lugar de poner la hidrogenasa directamente en contacto con el electrodo, incorporan el catalizador sensible en un hidrogel redox. Esto sirve tanto como tampón redox como eliminador de oxígeno, y significa que ni el alto potencial ni el oxígeno tienen un impacto sobre el biocatalizador en la película de hidrogel. En determinadas condiciones de funcionamiento, la pila de combustible modificada con el hidrogel puede convertir la energía química del hidrógeno en energía eléctrica durante varias semanas. Sin el hidrogel, la hidrogenasa se destruye rápidamente.

“El concepto de hidrogel abre la posibilidad de utilizar otros catalizadores biológicos y artificiales sensibles en las pilas de combustible, cuya estabilidad intrínseca no se puede mejorar”, dice Wolfgang Lubitz, director del Instituto Max Planck de Conversión de Energía Química en Mülheim an der Ruhr. “Esto representa un gran paso adelante hacia un diseño de celda de biocombustible significativamente mejorado y una industria de energía sostenible en nuestra sociedad”.

El proyecto contó con el apoyo de la German Research Foundation (DFG) en el marco del Cluster of Excellence RESOLV (EXC 1069).

Publicación : Nicolas Plumere, et al., “Un hidrogel redox protege la hidrogenasa de la desactivación de alto potencial y el daño por oxígeno”, Nature Chemistry (2014); doi: 10.1038 / nchem.2022

Imagen: Ruhr-Universität Bochum / MPI para la conversión de energía química en Mülheim

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