Ist es möglich, eine essbare Energiequelle oder das Funktionsprinzip einer abiotischen Brennstoffzelle herzustellen? Teil 1: Theorie

Im Internet gibt es viele Anweisungen, wie man aus Zitronen usw. „essbare“ Batterien herstellt. Die Essbarkeit solcher Vorrichtungen ist jedoch fraglich, da die Elektroden in der Regel Metallplatten (normalerweise Zink und Kupfer) sind und nur der Elektrolyt, dessen Rolle Zitrone ist, essbar ist. Kürzlich habe ich mich gefragt, ob es möglich ist, eine vollständig essbare Batterie zu erstellen.

Ich werde gleich erklären, dass die Batterie nicht aus biokompatiblen, sondern aus essbaren Komponenten bestehen sollte. Natürlich wäre es einfach, aus Aktivkohle einen essbaren Superkondensator herzustellen , aber wie Sie wissen, ist der Energieverbrauch von Superkondensatoren im Vergleich zu Batterien sehr gering.

Die Hauptschwierigkeit einer solchen Idee besteht darin, geeignete Elektroden / Stromkollektoren zu finden. Erstens ist es notwendig, dass das essbare Material eine gute Leitfähigkeit besitzt, und zweitens kann es an elektrochemischen Reaktionen teilnehmen. Und das erste, was Ihnen in den Sinn kommt, wenn Sie an essbare Leiter denken, sind die Lebensmittelfarbstoffe E174 und E175, sie sind auch Lebensmittelgold und -silber. Aber in welchen elektrochemischen Reaktionen können diese Materialien verwendet werden, wenn sie in einer elektrochemischen Reihe von Spannungen nahe beieinander liegen? Aber hier müssen wir uns daran erinnern, dass Gold und Silber eine elektrokatalytische Aktivität haben. Wo werden Katalysatoren in elektrochemischen Stromversorgungen eingesetzt? In Brennstoffzellen!

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle? Wie andere elektrochemische Energiequellen haben Brennstoffzellen zwei Elektroden, die in einen Elektrolyten eingetaucht sind. Im Gegensatz zu Batterien und Superkondensatoren sind diese Elektroden jedoch keine aktiven Materialien, sondern Katalysatoren, bei denen die Oxidation von "Kraftstoff", der von außen zugeführt wird, und die Reduktion des Oxidationsmittels stattfinden. Beispielsweise ist im klassischen Beispiel einer Wasserstoffbrennstoffzelle der Brennstoff Wasserstoff und das Oxidationsmittel Sauerstoff. Im Vergleich zu anderen elektrochemischen Energiequellen, beispielsweise Batterien und Superkondensatoren, sind Brennstoffzellen übrigens am energieintensivsten, da sie arbeiten, während die Elektroden mit Reagenzien versorgt werden. Ihr Nachteil ist jedoch die geringe Leistung, die durch die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen und die Geschwindigkeit der Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel zu den Elektroden begrenzt ist.

Aber zurück zur Idee einer essbaren Brennstoffzelle. Wenn Luftsauerstoff die Rolle eines Oxidationsmittels spielen kann, was kann dann als essbarer Kraftstoff verwendet werden? Nachdem ich in der wissenschaftlichen Literatur nach Brennstoffzellenoptionen gesucht hatte, stieß ich auf eine interessante Lösung. Es stellt sich heraus, dass gewöhnliche Glukose in Form von Brennstoff verwendet werden kann, und diese Art von Vorrichtung wird als abiotische Brennstoffzelle bezeichnet .

Die Spannung solcher Zellen beträgt normalerweise weniger als 0,5 V, der Strom beträgt einige zehn Mikroampere pro Quadratzentimeter Elektrode, so dass das Telefon mit einem solchen Gerät nicht aufgeladen werden kann. Derzeit werden jedoch abiotische Brennstoffzellen für die Verwendung als Batterien in biomedizinischen mikroelektromechanischen Systemen (BioMEMS) entwickelt, die implantiert werden sollen in den menschlichen Körper. Warum "abiotisch"? Tatsache ist jedoch, dass es verschiedene Arten von Brennstoffzellen gibt, die Glukose in Form von Brennstoff verwenden: enzymatisch, mikrobiell und abiotisch. Enzymatische Brennstoffzellen verwenden isolierte Enzyme, um Glucose zu oxidieren. Das Problem ist jedoch, dass Enzyme schnell deaktiviert werden und solche Systeme normalerweise schnell an Leistung verlieren, was ein großes Problem für implantierbare Systeme ist. Mikrobielle Brennstoffzellen wiederumVerwenden Sie Mikroorganismen, was aufgrund des Infektionsrisikos auch für die orale Anwendung unpraktisch ist. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Systemen verwenden abiotische Brennstoffzellen zur Glukoseverarbeitung keine lebenden Organismen oder Biomoleküle, sondern Edelmetalle.

Das ideale Design einer solchen Vorrichtung ist wie folgt: Zwei Metallkatalysatoren werden in eine Glucoselösung eingetaucht, in der auch gelöster Sauerstoff vorhanden ist. In diesem Fall ist eine der Elektroden ein selektiver Katalysator für die Oxidation von Glucose und die andere für die Sauerstoffreduktion. Das heißt, eine essbare Brennstoffzelle könnte theoretisch in Form eines süßen Gelees hergestellt werden, das auf einer Seite mit essbarem Gold beschichtet ist, das Glucose oxidieren würde, und auf der anderen Seite Silber, wodurch Sauerstoff reduziert wird. Aber funktioniert ein solches Gerät?

Und hier stehen wir vor der zweiten Schwierigkeit bei der Herstellung einer essbaren Brennstoffzelle: Die meisten Edelmetalle haben eine katalytische Aktivität sowohl für die Glukoseoxidation als auch für die Sauerstoffreduktion. Das heißt, selbst wenn Silber weniger "empfindlich" gegenüber Glucose ist und eine bessere katalytische Aktivität für die Sauerstoffreduktion aufweist, beträgt die Spannung unserer Zelle weniger als 0,5 V, da die Sauerstoffreduktionsreaktion parallel zur Anode und Kathode verläuft.

Im Allgemeinen möchte ich diese theoretischen Überlegungen in der Praxis testen. In den folgenden Beiträgen werde ich daher über Versuche sprechen, eine essbare abiotische Brennstoffzelle zu Hause zu bauen.

Source: https://habr.com/ru/post/de398091/