Vyu it ití kombinace uhlíkových nanomateriál p i p ípravě enzymatických elektrod biopalivových článk Ing. Jaroslav Filip Ing. Peter Gemeiner, DrSc. Ing. Ján Tkáč, PhD.
BIOPALIVOVÝ ČLÁNEK Biologicky (enzymy, mikroorganismy) katalyzovaná p eměna části chemické energie paliva na elekt inu Vyu ití biokatalyzátor znamená výhody: - obnovitelné zdroje - vysoká selektivita enzym - normální provozní podmínky - biokompatibilita a nevýhody: - problémy se stabilitou - ni ší proudová hustota Základní krok konstrukce: - stabilní a efektivní imobilizace biokatalyzátor - vyu ití nanomateriál
Ketjen Black (KB) - komerčně dostupné saze - efektivně sorbují bilirubin oxidázu i jiné enzymy - pou ívány v polymerní matrici z polyvinylidenfluoridu, pop. PTFE Uhlíkov kové nanotrubičky (CNT) - vytvá í vodivé polymerní disperze/zvyšují vodivost kompozit CÍLE PRÁCE 1) Nahradit drahé PVDF a PTFE levným biopolymerem chitosanem 2) Dosáhnout v chitosanové disperzi synergického účinku KB a CNT 3) Ově it vhodnost takto p ipraveného rozhraní pro konstrukci biokatody i bioanody
P ÍPRAVA PRAVA ELEKTROD SLOVENSKÁ AKADEMIE KONSTRUKČNÍ A ANALYTICKÉ METODY 1) KB rozet ena v t ecí misce spolu s chitosanem (0,1% roztok v 0,3% kyselině octové) 2) p idána disperze CNT v tomto polymeru (p ipravena sonikací CNT a chitosanu) 3) Směs (KB/CNT-CHI) nanesena na GCE elektrodu, nechána zaschnout. 4) Modifikované elektrody inkubovány s roztokem FDH (bioanoda) nebo BOD (biokatoda) Elektrochemické vlastnosti nanorozhraní a bioelektrod zjiš ovány pomocí CYKLICKÉ VOLTAMPEROMETRIE (CV) Proudová odezva p ítomných látek p i cyklicky se měnícím potenciálu Potenciostat/galvanostat AUTOLAB PGSTAT 128N
EXPERIMENTÁLNÍ SEKCE KB/CNT-CHI rozhraní 1) Vliv p ítomnosti CNT v KB-CHI disperzi Pozorován nár st kapacitního proudu (E C ) u elektrody GCE KB/CNT-CHI oproti elektrody bez CNT zlepšení elektrochemických vlastností rozhraní díky CNT. E C E C j REL (%) 2) Vliv koncentrace KB a CNT na imobilizaci BOD CNT: A 0,33 mg.ml -1 B 0,67 mg.ml -1 C 1 mg. ml -1 p i obsahu KB 4,3 mg.ml -1 KB: A 2,2 mg.ml -1 B 4,3 mg.ml -1 C 8,2 mg.ml -1 p i obsahu CNT 0,67 mg.ml -1 Maximální proudová odezva zjištěna pro BOD imobilizovanou na rozhraní tvo ené disperzí s 0,67 mg.ml -1 CNT a 4,3 mg.ml -1 KB. V této směsi optimálně propojené částice KB vodivými CNT Optimalizace slo en ení KB/CNT-CHI CHI disperze
CV CHARAKTERISTIKA OPTIMALIZOVANÝCH ELEKTROD Bioanoda Biokatoda proudová odezva 90 mv 560 mv CV GCE KB/CNT-CHI FDH v 0,1M acetátovém pufru, ph 6 (černá k ivka) a s p ídavkem 0,2M fruktózy (červená k ivka) CV GCE KB/CNT-CHI BOD v 0,1M acetátovém pufru, ph 6, deaerovaném (černá k ivka) a aerovaném (červená k ivka) Počátek oxidace fruktózy p i -90 mv Proudová hustota 451 μa.cm -2 Počátek redukce kyslíku p i 560 mv Proudová hustota 272 μa.cm -2
VÝSLEDKY CHARAKTERISTIKA BIOPALIVOVÉHO ČLÁNKU Fruktóza-kyslíkový BFC sestrojen z optimalizované a ocharakterizované bioanody a biokatody GCE KBCNT-CHI FDH (bioanoda) Aerace Maximální výkon 50,1µW/cm -2 GCE KB/CNT-CHI BOD (biokatoda) E (V) I (µa) j (µa/cm -2 ) p (µw/cm -2 ) 0,5 4,2 59,4059 29,7030 0,4 8,3 117,3975 46,9590 0,3 11,8 166,9024 50,0707 0,2 14,9 210,7496 42,1499 0,1 17,5 247,5248 24,7525 0,05 18,7 264,4979 13,2249 0,025 19,2 271,5700 6,7893 0,01 19,4 274,3989 2,7440 Tab. 1: Hodnoty výkonu a proudových hustot BFC p i r zných potenciálech Nejvyšší výkon zjištěn p i hodnotě potenciálu 300 mv. Hodnota potenciálu bez protékajícího proudu (tzv. OCP hodnota) 655 mv. Charakteristika sestrojeného BFC: p výkon; j proudová hustota Mě eno v 0,1M acetátovém pufru, ph 6, obsahujícím 200mM fruktózu a aerovaném vzduchem.
DISKUZE, ZÁVĚR P ipraveno nanostrukturované rozhraní v něm jsou sférické částice Ketjen Black vodivě propojeny uhlíkovými nanotrubičkami. Oba druhy nanočástic jsou dispergovány v chitosanu (levný, dostupný biopolymer). P ipravené rozhraní je vhodné pro imobilizaci fruktóza dehydrogenázy i bilirubin oxidázy, pro p ípravu bioanody i biokatody. Optimalizované rozhraní pou ito na sestrojení fruktóza/kyslíkového biopalivového článku s potenciálem OCP = 560 mv, maximálním výkonem p = 50,1µW.cm -2 p i aplikovaném potenciálu 300 mv. KB/CNT-CHI rozhraní pou itelné i pro p ípravu velkoplošných elektrod efektivních biopalivových článk Tato publikace byla vytvo ená realizací projektu "CEntrum pre Materiály, vrstvy a systémy pre Aplikácie a CHemIcké procesy v extrémnych podmienkach" na základe podpory operačního programu Výzkum a vývoj financovaného z Evropskeho fondu regionálního rozvoje a blokovým grantem financovaným finančním mechanismem EHP, č. SAV-FM-EHP-2008-04-04.