Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Lá chắn bảo vệ enzym rất nhạy trong pin nhiên liệu sinh học (25/09/2018)

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát triển được cơ chế mới để bảo vệ các enzym từ oxy đóng vai trò là chất xúc tác sinh học trong pin nhiên liệu. Các enzym này được gọi là hydrogenase, cũng có hiệu quả tương tự như các chất xúc tác kim loại quý, nhưng không ổn định khi chúng tiếp xúc với oxy. Do đó, chúng chưa phù hợp cho các ứng dụng công nghệ.

Ảnh: Các thử nghiệm pin nhiên liệu sinh học được thực hiện trong pin điện hóa.

Cơ chế bảo vệ mới dựa vào enzym tiêu thụ oxy, khai thác năng lượng từ đường. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra khả năng sử dụng cơ chế bảo vệ này để chế tạo pin nhiên liệu sinh học chức năng hoạt động bằng nhiên liệu là hydro và glucose.

Nhóm nghiên cứu dẫn đầu là tiến sĩ Adrian Ruff và Giáo sư Wolfgang Schuhmann tại Trung tâm Khoa học điện hóa thuộc trường Đại học Ruhr- Bochum đã mô tả các kết quả nghiên cứu trên tạp chí Nature Communications. Nghiên cứu có sự cộng tác của các đồng nghiệp đến từ Viện chuyển đổi năng lượng hóa học Max Planck và trường Đại học Lisbon.

Các nhà khoa học đã chứng minh trong các nghiên cứu trước đây rằng hydrogease có thể được bảo vệ khỏi oxy bằng cách đưa chúng vào trong một polyme. "Tuy nhiên, cơ chế này tiêu thụ các điện tử, làm giảm hiệu suất của pin nhiên liệu", TS. Adrian Ruff nói. "Ngoài ra, một phần chất xúc tác được sử dụng để bảo vệ enzym". Do đó, các nhà khoa học đã tìm cách tách hệ thống hoạt động xúc tác khỏi cơ chế bảo vệ.

Enzym bẫy oxy

Với sự hỗ trợ của hai enzym, nhóm nghiên cứu đã chế tạo được một hệ thống khử oxy xung quanh điện cực sản sinh dòng điện. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã phủ lên điện cực các hydrogenase, được gắn vào chất nền polime để cố định chúng. Sau đó, họ đặt một chất nền polime khác lên phía trên của hydrogenase, bao bọc toàn bộ lớp xúc tác cơ bản. Lớp xúc tác chứa hai enzym sử dụng đường để chuyển đổi oxy thành nước.

Hydro được oxy hóa trong lớp chứa hydrogenase ở phía dưới. Điện cực hấp thụ các điện tử được giải phóng trong quá trình này. Lớp trên cùng khử oxy độc hại.

Pin nhiên liệu chức năng đã được chế tạo

Trong các thí nghiệm tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã kết hợp các cực dương sinh học được mô tả ở trên với cực âm sinh học, cũng dựa vào sự chuyển đổi của glucose. Theo đó, các nhà khoa học đã chế tạo được pin nhiên liệu sinh học chức năng. Wolfgang Schuhmann, đồng tác giả nghiên cứu đã đưa ra kết luận: "Glucose từ sinh khối giá rẻ và dồi dào không chỉ là nhiên liệu cho hệ thống bảo vệ, mà còn thúc đẩy hoạt động của cực âm sinh học và sau đó tạo ra một dòng điện trong pin". Pin nhiên liệu này có điện áp mạch hở là 1,15V, giá trị cao nhất mà pin chứa cực dương sinh học từ polime có thể đạt được cho đến nay.

Wolfgang Schuhmann cho biết: "Nguyên lý đằng sau cơ chế lá chắn bảo vệ này có thể được chuyển giao cho bất kỳ chất xúc tác nhạy nào nếu enzym thích hợp được chọn lọc, có khả năng xúc tác phản ứng ngăn chặn tương ứng".

Nguồn: P.T.T (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 25/9/2018