SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE
Vyu ití kombinace uhlíkových nanomateriál p i p ípravě enzymatických elektrod biopalivových článk
Ing. Jaroslav Filip Ing. Peter Gemeiner, DrSc. Ing. Ján Tkáč č, PhD.
SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE
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
SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE Ketjen Black (KB)
Uhlíkové nanotrubičky (CNT)
- komerčně dostupné saze - efektivně sorbují bilirubin oxidázu i jiné enzymy - pou ívány v polymerní matrici z polyvinylidenfluoridu, pop . PTFE
- 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
SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE
KONSTRUKČNÍ A ANALYTICKÉ METODY P ÍPRAVA ELEKTROD 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
SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE
EXPERIMENTÁLNÍ SEKCE – KB/CNT-CHI rozhraní Pozorován nár st kapacitního proudu (EC) u elektrody GCE||KB/CNT-CHI oproti elektrody bez CNT – zlepšení elektrochemických vlastností rozhraní díky CNT.
1) Vliv p ítomnosti CNT v KB-CHI disperzi
EC EC
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 jREL (%)
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
KB: A – 2,2 mg.ml-1 B – 4,3 mg.ml-1 Optimalizace slo C – 8,2 mg.ml-1 p i obsahu CNT 0,67 mg.ml-1 disperze
ení KB/CNT-CHI
SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE
CV CHARAKTERISTIKA OPTIMALIZOVANÝCH ELEKTROD Bioanoda
Biokatoda
proudová odezva
90 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)
Počátek oxidace fruktózy p i -90 mV Proudová hustota 451 μA.cm-2
560 mV CV GCE||KB/CNT-CHI||BOD v 0,1M acetátovém pufru, pH 6, deaerovaném (černá k ivka) a aerovaném (červená k ivka)
Počátek redukce kyslíku p i 560 mV Proudová hustota 272 μA.cm-2
SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE
VÝSLEDKY – CHARAKTERISTIKA BIOPALIVOVÉHO ČLÁNKU Fruktóza-kyslíkový BFC sestrojen z optimalizované a ocharakterizované bioanody a biokatody Maximální výkon 50,1µW/cm-2 Aerace GCE||KBCNT-CHI||FDH (bioanoda)
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.
SLOVENSKÁ AKADEMIE VĚD, CHEMICKÝ ÚSTAV ODDĚLENÍ GLYKOBIOTECHNOLOGIE
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 = 50,1µ µW.cm-2 p i aplikovaném potenciálu 300 mV. KB/CNT-CHI rozhraní pou itelné i pro p ípravu velkoplošných elektrod biopalivových článk
efektivních
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.
