Les piles à combustible qui fonctionnent avec l'enzyme hydrogénase sont, en principe, tout aussi efficaces que celles qui contiennent le précieux métal platine comme catalyseur. Cependant, les enzymes ont besoin d'un environnement aqueux, ce qui rend difficile pour le matériau de départ de la réaction - l'hydrogène - d'atteindre l'électrode chargée d'enzymes. Les chercheurs ont résolu ce problème en combinant des concepts précédemment développés pour l'emballage des enzymes avec la technologie des électrodes à diffusion gazeuse. Le système développé de cette manière a atteint des densités de courant significativement plus élevées que celles obtenues auparavant avec les piles à combustible à hydrogénase.

Dans la revue Communication Nature , une équipe du Centre des sciences électrochimiques de la Ruhr-Universität Bochum, avec des collègues de l'Institut Max Planck pour la conversion d'énergie chimique à Mülheim an der Ruhr et de l'Université de Lisbonne, décrit comment ils ont développé et testé les électrodes. L'article a été publié le 9 novembre 2018.

Avantages et inconvénients des électrodes à diffusion gazeuse

Les électrodes à diffusion gazeuse peuvent transporter efficacement des matières premières gazeuses pour une réaction chimique à la surface de l'électrode avec le catalyseur. Ils ont déjà été testés dans divers systèmes, mais le catalyseur a été câblé électriquement directement à la surface de l'électrode. « Dans ce type de système, une seule couche d'enzyme peut être appliquée sur l'électrode, qui limite le passage du courant, " dit le chimiste de Bochum, le Dr Adrian Ruff, décrivant un inconvénient. En outre, les enzymes n'étaient pas protégées des influences néfastes de l'environnement. Dans le cas de l'hydrogénase, cependant, cela est nécessaire car il est instable en présence d'oxygène.

Polymère redox comme bouclier de protection contre l'oxygène

Dans les années récentes, les chimistes du Centre des sciences électrochimiques de Bochum ont mis au point un polymère redox dans lequel ils peuvent intégrer des hydrogénases et les protéger de l'oxygène. Précédemment, cependant, ils n'avaient testé cette matrice polymère que sur des électrodes plates, pas sur des structures tridimensionnelles poreuses telles que celles utilisées dans les électrodes à diffusion gazeuse.

« Les structures poreuses offrent une grande surface et permettent ainsi une charge enzymatique élevée, " dit le professeur Wolfgang Schuhmann, Chef du Centre des sciences électrochimiques. "Mais il n'était pas clair si le bouclier de protection contre l'oxygène sur ces structures fonctionnerait et si le système serait alors toujours perméable aux gaz."

Application d'enzymes aux électrodes

L'un des problèmes du procédé de fabrication est que les électrodes sont hydrophobes, c'est-à-dire hydrofuge, tandis que les enzymes sont hydrophiles, c'est-à-dire respectueux de l'eau. Les deux surfaces ont donc tendance à se repousser. Pour cette raison, les chercheurs ont d'abord appliqué une couche adhésive mais transférant les électrons sur la surface de l'électrode, sur laquelle ils ont ensuite appliqué la matrice polymère avec l'enzyme dans une deuxième étape. "Nous avons spécifiquement synthétisé une matrice polymère avec un équilibre optimal de propriétés hydrophiles et hydrophobes, " explique Adrian Ruff. " C'était le seul moyen d'obtenir des films stables avec une bonne charge de catalyseur. "

Les électrodes ainsi construites étaient encore perméables au gaz. Les tests ont également montré que la matrice polymère fonctionne également comme un écran d'oxygène pour les électrodes tridimensionnelles poreuses. Les scientifiques ont utilisé le système pour atteindre une densité de courant de huit milliampères par centimètre carré. Auparavant, les bioanodes avec polymère et hydrogénase n'atteignaient qu'un milliampère par centimètre carré.

Biopile fonctionnelle

L'équipe a combiné la bioanode décrite ci-dessus avec une biocathode et a montré qu'une pile à combustible fonctionnelle peut être produite de cette manière. Il a atteint une densité de puissance allant jusqu'à 3,6 milliwatts par centimètre carré et une tension en circuit ouvert de 1,13 volts, ce qui est juste en dessous du maximum théorique de 1,23 volts.