Новые биоаноды для биотопливных элементов

Биотопливные элементы в последнее время рассматриваются в качестве альтернативных, возобновляемых, экологически безопасных источников электрической энергии для питания автономных устройств в местах, где централизованное электроснабжение недоступно, зарядки мобильных телефонов и компьютеров, питания маломощных осветительных приборов частных домовладений.

Несмотря на то, что уровень готовности технологий таких устройств (TRL) еще очень невысок, во всем мире наблюдается бурный рост публикаций, посвященный биотопливникам. Не так давно в журнале Polymers вышла очередная статья, в которой молодые ученые из Тулы и Тамбова представили новый вариант анодов таких биологических топливных элементов. Как заявляется, их использование позволит решить целый ряд проблем утилизации отходов биотехнологических производств. Как элемент биосенсоров подобные биоаноды также могут использоваться в рамках экологического мониторинга и оценки степени загрязненности окружающей среды.

Над научным проектом работали сотрудники молодежной лаборатории экологической и медицинской биотехнологии Тульского государственного университета (ТулГУ) при участии коллег из Тамбовского государственного технического университета (ТГТУ).

Биологические топливные элементы содержат биокатализатор – ферментные системы микроорганизмов, которые способны утилизировать широкий круг веществ. Объединив их в одной биоэлектрохимической системе, появляется возможность превратить энергию химических связей отходов в электричество. В качестве топлива в такой системе могут использоваться, например, отходы спиртовых и бродильных производств.

Ученые установили, что компоненты природных ферментативных каскадов и модифицированные углеродные нанотрубки участвуют в совместном формировании определенных структур бионанокомпозитов в зависимости от типа полимерной матрицы. Выявленные закономерности позволили направленно формировать эффективные биоэлектрохимические системы. В результате они создали биокомпозиты на основе природного полимера хитозана, биокатализатора на основе субклеточных структур бактерий и углеродных нанотрубок.

Такие биокомпозиты способны одновременно проводить электрический ток и обеспечивать сохранность и комфортные условия для функционирования биологических структур.

Сообщение об исследовании, предоставленное Минобрнауки говорит, что основная сфера применения разработанных биоанодов - это альтернативная энергетика и источники малой генерации, хотя «на данном этапе исследование носит фундаментальный характер», что означает, что TRL в данном случае равен 2-3 из 9 возможных.

«Наибольшие трудности при разработке биокомпозитов для нас были связаны с совмещением в одной полимерной матрице биологического катализатора и наноматериалов, поскольку взаимное влияние не должно нарушать работу топливного элемента. Нам удалось достичь эффективных взаимодействий между биокаталитической частью и углеродными нанотрубками в матрице полимерных гидрогелей. Полученные результаты по разработке эффективных биоэлектрохимических систем еще раз доказывают важность и перспективность исследований на стыке биотехнологии, химии и нанотехнологии», – отмечает руководитель направления, заведующий лабораторией экологической и медицинской биотехнологии, канд. хим. наук, доцент, Сергей Алферов.

Исследования были проведены при поддержке Минобрнауки России, а также в рамках работы НОЦ «ТулаТЕХ».