¿Es posible hacer una fuente de energía comestible o el principio de funcionamiento de una pila de combustible abiótica? Parte 1: Teoría

En Internet hay muchas instrucciones sobre cómo hacer baterías "comestibles" a partir de limones, etc. Pero la comestibilidad de tales dispositivos está en duda, ya que los electrodos, como regla, son placas de metal (generalmente zinc y cobre), y solo el electrolito, cuyo papel es el limón, es comestible. Recientemente, me pregunté, ¿es posible crear una batería totalmente comestible?

Explicaré de inmediato que la batería no debe ser de biocompatibles, sino de componentes comestibles. Por supuesto, sería fácil hacer un supercondensador comestible a partir de carbón activado, pero, como saben, el consumo de energía de los supercondensadores es muy bajo en comparación con las baterías.

La principal dificultad de tal idea es encontrar electrodos / colectores de corriente adecuados. Primero, es necesario que el material comestible posea buena conductividad, y segundo, podría participar en reacciones electroquímicas. Y lo primero que viene a la mente cuando piensas en conductores comestibles son los colorantes alimentarios E174 y E175, también son alimentos de oro y plata. Pero, ¿en qué reacciones electroquímicas se pueden usar estos materiales si están cerca uno del otro en una serie electroquímica de voltajes? Pero aquí debemos recordar que el oro y la plata tienen actividad electrocatalítica. ¿Dónde se utilizan los catalizadores en las fuentes de alimentación electroquímicas? En pilas de combustible!

¿Cómo funciona una pila de combustible? Al igual que otras fuentes de energía electroquímica, las celdas de combustible tienen dos electrodos sumergidos en un electrolito. Pero a diferencia de las baterías y los supercondensadores, estos electrodos no son materiales activos, sino catalizadores en los que se produce la oxidación del "combustible", que se suministra desde el exterior, y la reducción del oxidante. Por ejemplo, en el ejemplo clásico de una celda de combustible de hidrógeno, el combustible es hidrógeno y el agente oxidante es oxígeno. Por cierto, en comparación con otras fuentes de energía electroquímica, por ejemplo, baterías y supercondensadores, las celdas de combustible son las más intensivas en energía, ya que funcionan mientras se suministran reactivos a los electrodos. Pero su desventaja es la baja potencia, limitada por la velocidad de las reacciones electroquímicas y la velocidad de suministro de combustible y oxidante a los electrodos.

Pero volvamos a la idea de una pila de combustible comestible. Si el oxígeno del aire puede desempeñar el papel de un agente oxidante, ¿qué se puede usar como combustible comestible? Después de buscar opciones de celdas de combustible en la literatura científica, encontré una solución interesante. Resulta que la glucosa ordinaria se puede usar en forma de combustible, y este tipo de dispositivo se llama pila de combustible abiótica .

El voltaje de tales celdas suele ser inferior a 0,5 V, la corriente es un par de decenas de microamperios por centímetro cuadrado de electrodo, por lo que el teléfono no puede cargarse con dicho dispositivo, pero en este momento se están desarrollando celdas de combustible abióticas para su uso como baterías en sistemas biomédicos microelectromecánicos (BioMEMS) que deben implantarse en el cuerpo humano ¿Por qué "abiótico"? Pero el hecho es que hay varios tipos de celdas de combustible que usan glucosa en forma de combustible: enzimático, microbiano y abiótico. Las células de combustible enzimáticas usan enzimas aisladas para oxidar la glucosa. Pero el problema es que las enzimas se desactivan rápidamente, y tales sistemas generalmente pierden energía rápidamente, lo cual es un gran problema para los sistemas implantables. Pilas de combustible microbianas, a su vez,use microorganismos, que tampoco es práctico para uso oral debido a los riesgos de infección. A diferencia de los sistemas descritos anteriormente, las celdas de combustible abióticas para el procesamiento de glucosa no utilizan organismos vivos o biomoléculas, sino metales nobles.

El diseño ideal de dicho dispositivo es el siguiente: dos catalizadores metálicos se sumergen en una solución de glucosa, en la que también está presente oxígeno disuelto. En este caso, uno de los electrodos es un catalizador selectivo para la oxidación de glucosa, y el otro para la reducción de oxígeno. Es decir, una pila de combustible comestible podría fabricarse teóricamente en forma de gelatina dulce recubierta por un lado con oro comestible, que oxidaría la glucosa y, por el otro, plata, reduciendo el oxígeno. ¿Pero tal dispositivo funcionará?

Y aquí nos enfrentamos a la segunda dificultad para crear una pila de combustible comestible: la mayoría de los metales preciosos tienen actividad catalítica tanto para la oxidación de glucosa como para la reducción de oxígeno. Es decir, incluso si la plata es menos "sensible" a la glucosa y tiene una mejor actividad catalítica para la reducción de oxígeno, el voltaje de nuestra célula será inferior a 0,5 V, ya que la reacción de reducción de oxígeno será paralela al ánodo y al cátodo.

En general, me gustaría probar estas consideraciones teóricas en la práctica, por lo que en las siguientes publicaciones hablaré sobre los intentos de construir una pila de combustible abiótica comestible en casa.

Source: https://habr.com/ru/post/es398091/