Витамин и ложка сахара могут стать источником энергии для экологически чистых батарей следующего поколения.
Крупный план сложенных друг на друга биобатарей, напечатанных на 3D-принтере (иллюстративное изображение)
Официальный сайт Бингемтонского университета
Ученые опираются на опыт биологии, чтобы переосмыслить, как мы храним энергию.
В поисках альтернатив литий-ионным аккумуляторам во всем мире исследователи обращаются к более безопасным, дешевым и доступным материалам. Одна из новых идей пришла прямо из природы: использовать витамины и сахара в качестве основы для аккумулятора.
В новом исследовании группа ученых разработала проточную батарею, работающую на витамине B2 (рибофлавине) и глюкозе.
Система имитирует процесс выработки энергии человеческим организмом из пищи, используя ферменты и природные молекулы для преобразования глюкозы в полезную энергию.
Результатом является доказательство концепции нетоксичной, недорогой и биотехнологической системы хранения энергии.
Исследователи под руководством Чон-Хва Шона разработали прототип, использующий рибофлавин в качестве электронного медиатора. В организме рибофлавин участвует в транспорте энергии в процессе метаболизма.
Внутри батареи он выполняет аналогичную роль, перенося электроны между электродами и электролитом на основе глюкозы, эффективно вырабатывая электричество из сахара.
«Клетки потока рибофлавина и глюкозы могут генерировать электроэнергию из природных источников энергии», — сказал Шон, ведущий автор исследования.
«Эта система, использующая нетоксичные, недорогие и широко распространенные в природе компоненты, открывает многообещающий путь к более безопасному и доступному хранению энергии в жилых домах».
Проточные аккумуляторы отличаются от обычных тем, что энергия хранится в жидких электролитах, циркулирующих в системе. При перемещении электролитов между положительным и отрицательным электродами происходят химические реакции, в результате которых энергия высвобождается или накапливается.
Глюкоза, присутствующая практически во всех растениях, оказалась привлекательным кандидатом для этих систем, поскольку она возобновляема, стабильна и широко доступна.
Замена металлов витаминами
До сих пор в большинстве аккумуляторов на основе глюкозы использовались катализаторы на основе благородных металлов, таких как платина или золото, для расщепления молекул сахара и высвобождения электронов. Эти материалы дороги и их сложно масштабировать, а выходная мощность таких аккумуляторов остаётся ограниченной.
В новой конструкции эти металлы заменены рибофлавином, который стабилен даже при высоких уровнях pH, необходимых для электролитов глюкозы.
Шон и его коллеги, включая Руочжу Фэна и Вэй Вана, создали свой прототип с угольными электродами. Электролит, окружавший отрицательный электрод, содержал глюкозу и активный рибофлавин, а положительный электрод — либо феррицианид калия, либо кислород.
Исследователи сравнили обе конфигурации, чтобы проверить каталитическую активность витамина и его долгосрочный потенциал.
Многообещающие результаты и дальнейшие шаги
Элемент на основе феррицианида калия достиг плотности мощности при комнатной температуре, аналогичной показателям коммерческих ванадиевых проточных батарей, что свидетельствует о том, что рибофлавин может работать наравне с системами на основе металлов.
Версия на основе кислорода реагировала медленнее, но она предлагала более практичный и экономически выгодный путь для крупномасштабного производства.
Группа обнаружила, что кислород может разрушать рибофлавин под воздействием света, что приводит к саморазряду. Тем не менее, кислородный элемент обеспечивал более высокую плотность энергии, чем предыдущие конструкции на основе глюкозы.
Исследователи планируют решить проблему светочувствительности, изменив способ взаимодействия витамина с электролитом и улучшив конструкцию самой проточной ячейки.
Система рибофлавин-глюкоза может стать важным шагом на пути к устойчивому хранению энергии, если её дальнейшее развитие будет продолжено. Благодаря натуральным, биоразлагаемым и недорогим компонентам такие батареи в будущем могут стать экологичной альтернативой для питания домов или небольших устройств, не прибегая к использованию токсичных металлов и сложных цепочек поставок.
Исследование опубликовано в журнале ACS Energy Letters.
Sourse: interestingengineering.com
