Khoa học tự nhiên

Sử dụng chất xúc tác sinh học trong pin nhiên liệu (12/09/2014)

Các nhà khoa học tại Trung tâm Khoa học điện hóa và Viện Max Planck đã tìm ra cách sử dụng chất xúc tác sinh học hiệu quả về chi phí trong pin nhiên liệu. Đây là một bước tiến hướng tới sử dụng hydro để sản xuất điện.

Hydrogel oxy hóa khử, do các nhà nghiên cứu tại Bochum và Mulheim phát triển, hoạt động như một lá chắn bảo vệ hydrogenaza (men hydro hóa) không bị oxy làm hư hại. Ảnh: Đại học Ruhr-Bochum

Trong tương lai, sử dụng hydro để sản xuất điện có thể sẽ kinh tế và thân thiện môi trường hơn. Các nhà khoa học tại Trung tâm Khoa học điện hóa (CES) tại Đại học Ruhr-Bochum và Viện Chuyển đổi năng lượng hóa học Max Planck đã tìm ra cách sử dụng chất xúc tác sinh học hiệu quả về chi phí trong pin nhiên liệu. Trước đây, các nhà khoa học sử dụng chất xúc tác dựa trên kim loại quý cho quá trình này. Tuy các chất xúc tác này hiệu quả và ổn định nhưng chúng đắt tiền và hiếm. Nhóm các nhà nghiên cứu tại Bochum và Mulheim mới đây đã tìm ra một cách để bảo vệ enzym rất hiệu quả này bằng một loại polyme có khả năng chống lại các điều kiện khắc nghiệt trong pin nhiên liệu, có thể nhanh chóng phá hỏng các chất xúc tác sinh học không được bảo vệ.

Trong tự nhiên, nhiều vi khuẩn và tảo đang đi trước công nghệ. Chúng sử dụng hydrogenaza, một loại enzyme hay chất xúc tác sinh học từ các nguyên tố phổ biến như sắt và niken để tạo ra hydro, tránh hoàn toàn việc sử dụng các kim loại quý như bạch kim. Hydrogenaza đóng vai trò như các chất xúc tác, không chỉ trong việc sản xuất ra hydro, mà còn trong việc hấp thu nó để sản xuất ra các điện tử, sau đó có thể được pin nhiên liệu sử dụng để sản xuất ra điện và chất thải chỉ là nước. Các hydrogenaza hiệu quả nhất đạt tỷ lệ chuyển đổi tương tự như bạch kim. “Do đó, hydrogenaza có thể là một lựa chọn thú vị thay thế cho các kim loại quý,” Wolfgang Schuhmann, Chủ nhiệm Khoa Hóa học phân tích tại Đại học Ruhr-Bochum, cho biết.

Tuy nhiên, cho đến nay các enzym này vẫn chưa được sử dụng trong pin nhiên liệu do hydrogenaza không thể hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt của pin, ở đó mức oxy và điện thế cao làm vô hiệu hóa các chất xúc tác sinh học.

Hydrogel oxy hóa khử: lá chắn bảo vệ cho các chất xúc tác nhạy và hiệu quả

Nhóm nghiên cứu từ Bochum và Mulheim mới đây đã phát triển một khái niệm cho phép các chất xúc tác nhạy hoạt động trong các pin nhiên liệu. Về cơ bản, các nhà nghiên cứu bảo vệ chất xúc tác bằng một ma trận bảo vệ, có các đặc điểm đã được thiết kế theo cách mà vật liệu này ngăn chặn các quá trình làm vô hiệu hóa chất xúc tác sinh học.

Thay vì đưa hydrogenaza tiếp xúc trực tiếp với điện cực, các nhà khoa học kết hợp chất xúc tác nhạy với một hydrogel oxy hóa khử. Hợp chất này vừa có chức năng như một tầng đệm oxy hóa khử, vừa có chức năng như một chất khử oxy, có nghĩa là không có điện thế cao cũng như không có oxy tác động đến chất xúc tác sinh học trong màng hydrogel. Dưới các điều kiện hoạt động nhất định, pin nhiên liệu mới này có thể chuyển đổi năng lượng hóa học từ hydro thành điện năng trong vài tuần. Nếu không có hydrogel, hydrogenaza sẽ bị phá hủy nhanh chóng.

“Phương pháp hydrogel mở ra khả năng sử dụng các chất xúc tác nhân tạo và sinh học nhạy khác trong pin nhiên liệu, những chất có sự ổn định nội tại không thể được tăng cường,” Wolfgang Lubitz, Giám đốc Viện Chuyển đổi năng lượng hóa học Max Planck, nói. “Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới một thiết kế pin nhiên liệu sinh học được cải thiện đáng kể và một ngành công nghiệp năng lượng bền vững.”

Nguồn: www.vista.vn (Theo Scietechdaily)