Las células de combustible que funcionan con la enzima hidrogenasa son, en principio, tan eficientes como las que contienen el costos platino utilizado como catalizador. Sin embargo, las enzimas necesitan un ambiente acuoso, lo que dificulta que el material de partida para la reacción (el hidrógeno) alcance el electrodo cargado de enzimas. Los investigadores resolvieron este problema combinando conceptos desarrollados previamente para empaquetar las enzimas con tecnología de electrodo de difusión de gas. El sistema desarrollado de esta manera logró densidades de corriente significativamente más altas que las alcanzadas anteriormente con celdas de combustible de hidrogenasa.

En la revista Nature Communications, un equipo del Centro de Ciencias Electroquímicas de Ruhr-Universität Bochum, junto con colegas del Instituto Max Planck para la conversión de energía química en Mülheim an der Ruhr y la Universidad de Lisboa, describe cómo desarrollaron y probaron estos electrodos. El artículo fue publicado el 9 de noviembre de 2018.

Ventajas y desventajas de los electrodos de difusión de gas

Los electrodos de difusión de gas pueden transportar eficientemente materias primas gaseosas para una reacción química a la superficie del electrodo con el catalizador. Ya se han probado en varios sistemas, pero el catalizador se conectó eléctricamente directamente a la superficie del electrodo. «En este tipo de sistema, solo se puede aplicar una sola capa de enzima al electrodo, lo que limita el flujo de corriente», dice el Dr. Adrian Ruff, químico de Bochum, que describe una desventaja. Además, las enzimas no estaban protegidas de influencias ambientales dañinas. En el caso de la hidrogenasa, sin embargo, esto es necesario porque es inestable en presencia de oxígeno.

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Polímero redox como escudo protector de oxígeno

En los últimos años, los químicos del Centro de Ciencias Electroquímicas de Bochum han desarrollado un polímero redox en el que pueden incrustar hidrogenasas y protegerlas del oxígeno. Anteriormente, sin embargo, solo habían probado esta matriz de polímero en electrodos planos, no en estructuras tridimensionales porosas como las empleadas en electrodos de difusión de gas.

«Las estructuras porosas ofrecen una gran área de superficie y, por lo tanto, permiten una alta carga de enzimas», dice el profesor Wolfgang Schuhmann, Director del Centro de Ciencias Electroquímicas. «Pero no estaba claro si el escudo de protección contra el oxígeno en estas estructuras funcionaría y si el sistema seguiría siendo permeable a los gases».

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Aplicando enzimas a los electrodos

Uno de los problemas con el proceso de fabricación es que los electrodos son hidrófobos, es decir, repelentes al agua, mientras que las enzimas son hidrófilas, es decir, amigables con el agua. Las dos superficies por lo tanto tienden a repelerse entre sí. Por esta razón, los investigadores primero aplicaron una capa de transferencia de adhesivo y electrones a la superficie del electrodo, a la que luego aplicaron la matriz de polímero con la enzima en un segundo paso. «Hemos sintetizado específicamente una matriz de polímero con un balance óptimo de propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas», explica Adrian Ruff. «Esta fue la única forma de lograr películas estables con una buena carga de catalizador».

Los electrodos construidos de esta manera todavía eran permeables al gas. Las pruebas también mostraron que la matriz de polímero también funciona como un escudo de oxígeno para electrodos tridimensionales porosos. Los científicos utilizaron el sistema para lograr una densidad de corriente de ocho miliamperios por centímetro cuadrado. Los bioanodos anteriores con polímero e hidrogenasa solo alcanzaron un miliamperio por centímetro cuadrado.

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Celda de biocombustible funcional

El equipo combinó el bioanodo descrito anteriormente con un biocátodo y mostró que se puede producir una celda de combustible funcional de esta manera. Alcanzó una densidad de potencia de hasta 3,6 milivatios por centímetro cuadrado y un voltaje de circuito abierto de 1.13 voltios, que está justo por debajo del máximo teórico de 1.23 voltios.