هل من الممكن عمل مصدر طاقة صالح للأكل أو مبدأ تشغيل خلية وقود غير حيوية. الجزء الأول: النظرية

يوجد على الإنترنت العديد من الإرشادات حول كيفية صنع بطاريات "صالحة للأكل" من الليمون ، إلخ. لكن قابلية هذه الأجهزة قابلة للتساؤل ، لأن الأقطاب الكهربائية ، كقاعدة عامة ، هي لوحات معدنية (عادة الزنك والنحاس) ، فقط المنحل بالكهرباء ، الذي يكون دوره الليمون ، صالح للأكل. سألت نفسي مؤخرًا ، هل من الممكن إنشاء بطارية صالحة للأكل بالكامل؟

سأشرح على الفور أن البطارية لا يجب أن تكون من البطاريات المتوافقة بيولوجيًا ، ولكن من مكونات صالحة للأكل. بالطبع ، سيكون من السهل صنع مكثف فائق للأكل من الكربون المنشط ، ولكن ، كما تعلمون ، فإن استهلاك الطاقة من المكثفات الفائقة منخفض جدًا مقارنة بالبطاريات.

الصعوبة الرئيسية لمثل هذه الفكرة هي العثور على أقطاب كهربائية مناسبة / جامعي التيار. أولاً ، من الضروري أن تمتلك المادة الصالحة للأكل موصلية جيدة ، وثانيًا ، يمكنها المشاركة في التفاعلات الكهروكيميائية. وأول ما يتبادر إلى الذهن عندما تفكر في الموصلات الصالحة للأكل هي صبغات الطعام E174 و E175 ، فهي أيضًا طعام ذهب وفضة. ولكن في أي تفاعلات كهروكيميائية يمكن استخدام هذه المواد إذا كانت قريبة من بعضها البعض في سلسلة كهروكيميائية للجهود؟ ولكن هنا يجب أن نتذكر أن الذهب والفضة لهما نشاط تحفيز كهربائي. أين تستخدم المحفزات في إمدادات الطاقة الكهروكيميائية؟ في خلايا الوقود!

كيف تعمل خلية الوقود؟ مثل مصادر الطاقة الكهروكيميائية الأخرى ، تحتوي خلايا الوقود على قطبين كهربائيين مغمورين في المنحل بالكهرباء. ولكن على عكس البطاريات والمكثفات الفائقة ، فإن هذه الأقطاب الكهربائية ليست مواد نشطة ، ولكنها محفزات يتم فيها أكسدة "الوقود" ، التي يتم توفيرها من الخارج ، ويحدث انخفاض في المؤكسد. على سبيل المثال ، في المثال الكلاسيكي لخلية وقود الهيدروجين ، الوقود هو الهيدروجين ، والعامل المؤكسد هو الأكسجين. بالمناسبة ، بالمقارنة مع مصادر الطاقة الكهروكيميائية الأخرى ، على سبيل المثال ، البطاريات والمكثفات الفائقة ، فإن خلايا الوقود هي الأكثر استهلاكًا للطاقة ، لأنها تعمل بينما يتم تزويد الكواشف إلى الأقطاب الكهربائية. لكن عيبها هو الطاقة المنخفضة ، مقيدة بسرعة التفاعلات الكهروكيميائية وسرعة إمداد الوقود والأكسدة إلى الأقطاب الكهربائية.

ولكن نعود إلى فكرة خلية وقود صالحة للأكل. إذا كان الأكسجين من الهواء يمكن أن يلعب دور عامل مؤكسد ، فما الذي يمكن استخدامه كوقود صالح للأكل؟ بعد البحث عن خيارات خلايا الوقود في المؤلفات العلمية ، وجدت حلًا مثيرًا للاهتمام. اتضح أنه يمكن استخدام الجلوكوز العادي في شكل وقود ، ويسمى هذا النوع من الأجهزة خلية وقود غير حيوية .

عادة ما يكون جهد هذه الخلايا أقل من 0.5 فولت ، والتيار هو بضع عشرات من الميكرامترات لكل سنتيمتر مربع من القطب الكهربائي ، لذلك لا يمكن شحن الهاتف بمثل هذا الجهاز ، ولكن في الوقت الحالي يتم تطوير خلايا الوقود اللاأحيائية لاستخدامها كبطاريات في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة الطبية الحيوية (BioMEMS) التي يجب زرعها في جسم الإنسان. لماذا "غير الحيوي"؟ لكن الحقيقة هي أن هناك عدة أنواع من خلايا الوقود التي تستخدم الجلوكوز في شكل وقود: إنزيمي وميكروبي وغير حيوي. تستخدم خلايا الوقود الإنزيمي إنزيمات معزولة لأكسدة الجلوكوز. لكن المشكلة هي أن الإنزيمات يتم تعطيلها بسرعة ، وعادة ما تفقد هذه الأنظمة الطاقة بسرعة ، وهو ما يمثل مشكلة كبيرة للأنظمة القابلة للزرع. خلايا الوقود الميكروبية ، بدورها ،استخدام الكائنات الحية الدقيقة ، وهو أمر غير عملي أيضًا للاستخدام عن طريق الفم بسبب مخاطر العدوى. على عكس الأنظمة الموصوفة أعلاه ، لا تستخدم خلايا الوقود غير الحيوية لمعالجة الجلوكوز الكائنات الحية أو الجزيئات الحيوية ، ولكن المعادن النبيلة.

التصميم المثالي لمثل هذا الجهاز هو كما يلي: محفزان معدنيان مغموران في محلول الجلوكوز ، حيث يوجد الأكسجين المذاب أيضًا. في هذه الحالة ، أحد الأقطاب الكهربائية هو محفز انتقائي لأكسدة الجلوكوز ، والآخر لخفض الأكسجين. بمعنى ، يمكن صنع خلية وقود صالحة للأكل نظريًا على شكل هلام حلو مغطى من جانب بذهب الطعام ، مما يؤدي إلى أكسدة الجلوكوز ، ومن جهة أخرى ، الفضة ، يقلل الأكسجين. ولكن هل يعمل مثل هذا الجهاز؟

وهنا نواجه الصعوبة الثانية في إنشاء خلية وقود صالحة للأكل: معظم المعادن الثمينة لها نشاط تحفيزي لكل من أكسدة الجلوكوز وتقليل الأكسجين. أي أنه حتى إذا كانت الفضة أقل "حساسية" للجلوكوز ولديها نشاط تحفيزي أفضل لخفض الأكسجين ، فإن جهد خليتنا سيكون أقل من 0.5 فولت ، لأن تفاعل اختزال الأكسجين سيكون موازيًا للأنود والكاثود.

بشكل عام ، أود أن أختبر هذه الاعتبارات النظرية في الممارسة ، لذلك في المنشورات التالية سأتحدث عن محاولات لبناء خلية وقود لا أحيائية صالحة للأكل في المنزل.

Source: https://habr.com/ru/post/ar398091/