Est-il possible de fabriquer une source d'alimentation comestible ou le principe de fonctionnement d'une pile à combustible abiotique. Partie 1: Théorie

Sur Internet, il existe de nombreuses instructions sur la façon de fabriquer des piles «comestibles» à partir de citrons, etc. Mais la comestibilité de tels appareils est en cause, car les électrodes sont généralement des plaques métalliques (généralement du zinc et du cuivre), et seul l'électrolyte, dont le rôle est le citron, est comestible. Récemment, je me suis demandé, est-il possible de créer une batterie entièrement comestible?

Je vais expliquer tout de suite que la batterie ne doit pas provenir de batteries biocompatibles, mais de composants comestibles. Bien sûr, il serait facile de fabriquer un supercondensateur comestible à partir de charbon actif, mais, comme vous le savez, la consommation d'énergie des supercondensateurs est très faible par rapport aux batteries.

La principale difficulté d'une telle idée est de trouver des électrodes / collecteurs de courant adaptés. D'une part, il est nécessaire que le matériau comestible possède une bonne conductivité, et d'autre part, il puisse participer aux réactions électrochimiques. Et la première chose qui vous vient à l'esprit lorsque vous pensez aux conducteurs comestibles est les colorants alimentaires E174 et E175, ils sont également de l'or et de l'argent. Mais dans quelles réactions électrochimiques ces matériaux peuvent-ils être utilisés s'ils sont proches les uns des autres dans une série électrochimique de tensions? Mais ici, nous devons nous rappeler que l'or et l'argent ont une activité électrocatalytique. Où les catalyseurs sont-ils utilisés dans les alimentations électrochimiques? Dans les piles à combustible!

Comment fonctionne une pile à combustible? Comme les autres sources d'énergie électrochimique, les piles à combustible ont deux électrodes immergées dans un électrolyte. Mais contrairement aux batteries et aux supercondensateurs, ces électrodes ne sont pas des matières actives, mais des catalyseurs sur lesquels se produisent l'oxydation du "carburant", qui est fourni de l'extérieur, et la réduction de l'oxydant. Par exemple, dans l'exemple classique d'une pile à combustible à hydrogène, le carburant est l'hydrogène et l'agent oxydant est l'oxygène. Soit dit en passant, en comparaison avec d'autres sources d'énergie électrochimiques, par exemple, les batteries et les supercondensateurs, les piles à combustible sont les plus énergivores, car elles fonctionnent tandis que les réactifs sont fournis aux électrodes. Mais leur inconvénient est leur faible puissance, limitée par la vitesse des réactions électrochimiques et la vitesse d'alimentation en carburant et oxydant des électrodes.

Mais revenons à l'idée d'une pile à combustible comestible. Si l'oxygène de l'air peut jouer le rôle d'agent oxydant, alors qu'est-ce qui peut être utilisé comme carburant comestible? Après avoir cherché des options de piles à combustible dans la littérature scientifique, je suis tombé sur une solution intéressante. Il s'avère que le glucose ordinaire peut être utilisé sous forme de carburant, et ce type d'appareil est appelé une pile à combustible abiotique .

La tension de ces cellules est généralement inférieure à 0,5 V, le courant est de quelques dizaines de microampères par centimètre carré d'électrode, de sorte que le téléphone ne peut pas être chargé avec un tel appareil, mais pour le moment, des piles à combustible abiotiques sont en cours de développement pour être utilisées comme batteries dans des systèmes microélectromécaniques biomédicaux (BioMEMS) qui doivent être implantés dans le corps humain. Pourquoi "abiotique"? Mais le fait est qu'il existe plusieurs types de piles à combustible qui utilisent le glucose sous forme de carburant: enzymatique, microbien et abiotique. Les piles à combustible enzymatiques utilisent des enzymes isolées pour oxyder le glucose. Mais le problème est que les enzymes sont rapidement désactivées, et de tels systèmes perdent généralement rapidement de la puissance, ce qui est un gros problème pour les systèmes implantables. Les piles à combustible microbiennes, à leur tour,utiliser des micro-organismes, ce qui est également impossible à utiliser par voie orale en raison des risques d'infection. Contrairement aux systèmes décrits ci-dessus, les piles à combustible abiotiques pour le traitement du glucose n'utilisent pas d'organismes vivants ou de biomolécules, mais des métaux nobles.

La conception idéale d'un tel dispositif est la suivante: deux catalyseurs métalliques sont immergés dans une solution de glucose, dans laquelle de l'oxygène dissous est également présent. Dans ce cas, l'une des électrodes est un catalyseur sélectif pour l'oxydation du glucose, et l'autre pour la réduction de l'oxygène. Autrement dit, une pile à combustible comestible pourrait théoriquement être fabriquée sous la forme d'une gelée sucrée recouverte d'un côté d'or comestible, qui oxyderait le glucose, et de l'autre, d'argent, réduisant l'oxygène. Mais un tel appareil fonctionnera-t-il?

Et nous voici confrontés à la deuxième difficulté de créer une pile à combustible comestible: la plupart des métaux précieux ont une activité catalytique à la fois pour l'oxydation du glucose et la réduction de l'oxygène. Autrement dit, même si l'argent est moins "sensible" au glucose et a une meilleure activité catalytique pour la réduction de l'oxygène, la tension de notre cellule sera inférieure à 0,5 V, car la réaction de réduction de l'oxygène sera parallèle à l'anode et à la cathode.

En général, je voudrais tester ces considérations théoriques dans la pratique, de sorte que les articles suivants parleront des tentatives de construction d'une pile à combustible abiotique comestible à la maison.

Source: https://habr.com/ru/post/fr398091/