Российские ученые представили комбинированный топливный элемент

Источник: innov.ru

Переработка органических отходов в биогаз, основным компонентом которого является водород, могла бы решить сразу две острейших проблемы современной цивилизации. С одной стороны, это помогло бы уменьшить количество мусора, с другой — был бы решен вопрос сырья для топливных элементов. Но у красивых идей всегда много преград. Извлечение водорода из органики можно «поручить» колониям анаэробных бактерий. Но, кроме водорода, микробы продуцируют вредные примеси, в частности — углекислый газ и сероводород. Кроме того, по мере увеличения количества биогаза в реакторе скорость его выделения падает. То есть, биогаз необходимо постоянно откачивать и отделять от него водород. Возникают проблемы с транспортировкой и хранением газа.

Российские ученые из МГУ им. М.В. Ломоносова и Института фундаментальных проблем биологии РАН представили комбинированное устройство, сочетающее в себе бактериальную среду для производства водорода и топливный элемент для его превращения в электричество. В стандартных топливных элементах имеется два электрод. На катоде происходит распад молекулярного водорода на протоны и электроны. Специальные мембраны улавливают электроны и передают их во внешнюю цепь. Протоны же притягиваются к аноду, там происходит их окисление, продуктом которого является обычная вода. Чаще всего электроды топливных элементов изготавливаются с использованием платины. Но это очень дорогой металл, и вредные примеси биогаза способны снизить его каталитическую активность.

Российские ученые разработали принципиально новый вариант электрода, включающего фермент гидрогеназу (выделенный из микроба Thiocapsa roseopersicina). Этот фермент позволяет микроорганизмам перерабатывать водород в ходе восстановительных реакций с образованием электричества. Что касается мембраны для улавливания электронов, она была изготовлена из полимера нафиона и погружена в емкость с гетеротрофными анаэробными микробами, выделяющими водород. В ходе испытаний максимальная мощность реактора достигала 200 мкВт/см2. В качестве топлива использовалась чистая целлюлоза или бумажные отходы. Реакция проходила при температуре +60°C (температура баланса стабильности и активности электрода). Максимальная мощность была зафиксирована через 50 часов работы (время, необходимое для активации ферментов).

Особое внимание во время эксперимента уделялось анализу стабильности электрода. После загрузки топлива активность электрода резко возрастала, из-за увеличения концентрации водорода. Через 10 часов этот показатель снижался до 70% и оставался на данном уровне до конца испытаний (80 часов). Ученые предположили, что главными причинами падения активности электрода стало частичное размытие ферментативной пропитки бактериальной средой и понижение pH уровня. Последний фактор исправить, то есть стабильность электрода (и мощность системы в целом) может быть увеличена. По словам исследователей, комбинированный топливный элемент может перерабатывать не только бумажный мусор, но и любые другие типы органических отходов.