Hvad er en biobrændstofcelle?
En biobrændstofcelle er en enhed, der bruger biologiske materialer til at generere elektricitet på en direkte måde gennem redoxreaktioner.Dette står i kontrast til konventionel brug af biobrændstoffer til at generere elektricitet fra varmen leveret ved forbrænding af materialet.Princippet bag biobrændstofcelleteknologi er at efterligne forskellige naturlige processer, der bruges til at producere energi inden for levende organismer.I nogle tilfælde kan bakterier spille en rolle i disse brændselsceller.Fra 2011 viser biobrændstofceller potentiale som en alternativ energikilde og i forskellige medicinske og bioingeniørapplikationer.
Levende organismer får energi fra oxidation af kulhydrater, som genereres ved fotosyntesen i planter og indtages som mad af dyr.Enzymer letter reaktionerne, hvor kulhydrater omdannes til kuldioxid og vand ved fjernelse af elektroner, som derefter opbevares i adenosintriphosphat (ATP) molekyler.I en biobrændstofcelle produceret elektroner produceret ved oxidation af organiske molekyler mdash;normalt kulhydrater, som i levende organismer mdash;bruges til at generere en elektrisk strøm.Ideen om at bruge disse biologiske processer til at generere elektricitet har eksisteret siden 1960'erne, men de tidlige forsøg på at konstruere en praktisk, arbejdende biobrændstofcelle stødte på vanskeligheder.
En biobrændstofcelle vil typisk bestå af en container opdelt i to sektioner med en permeabel barriere.I et afsnit oxidation af et kulhydrat mdash;For eksempel glucose mdash;leverer elektroner.I det andet afsnit finder en reduktionsreaktion sted, der bruger disse elektroner.Ved at tilslutte de to elektroder kan en strøm fremstilles fra elektroden i oxidationsafsnittet mdash;Anoden mdash;til elektroden i reduktionsafsnittet mdash;katoden.
Et af de største praktiske problemer, der hindrer udviklingen af biobrændstofceller, har fundet en effektiv måde at få elektronerne frigivet fra kulhydratet i anoden.Elektronerne opbevares oprindeligt i det oxiderende enzym og ville i den naturlige proces overføres kemisk til ATP -molekyler.Der er to mulige metoder til ekstraktion af elektroner fra enzymet i anoden i en biobrændstofcelle.
I den direkte elektronoverførsel (DET) -metode skal enzymet bindes på anoden.Dette kan gøres kemisk eller ved andre metoder, såsom konstruktion af anoden fra et mesh af carbon nanorør, som enzymet er adsorberet.Disse metoder resulterer i reduceret aktivitet i enzymet og deraf følgende tab af effektivitet, men dette er i skrivende stund et område med løbende forskning og forbedrede teknikker kan udvikles.
Den anden metode til elektronoverførsel er kendt som medieret elektronOverførsel (Met).Dette kræver ikke, at enzymet er i kontakt med anoden;I stedet overføres elektronerne til et andet molekyle med et lavere redoxpotentiale, som derefter opgiver elektronerne til anoden.Denne forbindelse, kendt som en mægler, skal også have et højere redoxpotentiale end anoden.Dette ekstra trin involverer et tab af energi, og derfor er brændselscellen i praksis mindre effektiv, end det kunne være i teorien.
Biobrændstofceller er et område med aktiv forskning, og forskellige mulige løsninger på disse problemer undersøges.Blandt mulighederne er brugen af bakterier i mikrobielle brændselsceller.Jernreducerende bakterier, der lever i anaerobe forhold, viser særligt løfte, da de naturligt reducerer jern i dens +3 oxidationstilstand til dens +2 oxidationstilstand.Jernet kan derefter opgive et elektron ved anoden, vende tilbage til dets +3 tilstand og fungere som et naturligt mæglermolekyle ved at overføre elektroner fra bakterierne til anoden.
De vigtigste fordele ved biobrændstofceller er, at de ikke er forurenende, kræver ikke dyre katalysatorer og brug almindelige, billige og let vedvarende råvarer.De største ulemper vedBiobrændstofceller er deres ineffektivitet og lav effekt.Fra 2011 er der imidlertid håb om, at disse problemer kan overvindes, hvilket åbner en ny række muligheder.Disse inkluderer ikke kun billig, ren og vedvarende energi, men også udsigten til implanterede biobrændstofceller, der kører på stoffer produceret af kroppen, der bruges til at drive medicinske udstyr såsom pacemakere.