É possível produzir uma fonte de energia comestível ou o princípio de operação de uma célula a combustível abiótica. Parte 1: Teoria

Na Internet, existem muitas instruções sobre como fabricar baterias "comestíveis" a partir de limões, etc. Mas a comestibilidade de tais dispositivos está em questão, já que os eletrodos, em regra, são placas de metal (geralmente zinco e cobre), e apenas o eletrólito, cujo papel é o limão, é comestível. Recentemente, perguntei-me, é possível criar uma bateria totalmente comestível?

Explicarei imediatamente que a bateria não deve ser de componentes biocompatíveis, mas de componentes comestíveis. Obviamente, seria fácil criar um supercapacitor comestível a partir de carvão ativado, mas, como você sabe, o consumo de energia dos supercapacitores é muito baixo comparado às baterias.

A principal dificuldade dessa idéia é encontrar eletrodos / coletores de corrente adequados. Primeiro, é necessário que o material comestível possua boa condutividade e, em segundo lugar, participe de reações eletroquímicas. E a primeira coisa que vem à mente quando você pensa em condutores comestíveis são os corantes alimentares E174 e E175, eles também são ouro e prata. Mas em que reações eletroquímicas esses materiais podem ser usados ​​se estiverem próximos uns dos outros em uma série eletroquímica de tensões? Mas aqui devemos lembrar que ouro e prata têm atividade eletrocatalítica. Onde os catalisadores são usados ​​em fontes de energia eletroquímicas? Nas células de combustível!

Como funciona uma célula de combustível? Como outras fontes de energia eletroquímicas, as células de combustível têm dois eletrodos imersos em um eletrólito. Mas, diferentemente das baterias e supercapacitores, esses eletrodos não são materiais ativos, mas catalisadores nos quais ocorre a oxidação do "combustível", que é fornecido do lado de fora, e a redução do oxidante. Por exemplo, no exemplo clássico de uma célula a combustível de hidrogênio, o combustível é hidrogênio e o agente oxidante é o oxigênio. A propósito, em comparação com outras fontes de energia eletroquímica, por exemplo, baterias e supercapacitores, as células de combustível são as que consomem mais energia, pois funcionam enquanto os reagentes são fornecidos aos eletrodos. Mas sua desvantagem é a baixa potência, limitada pela velocidade das reações eletroquímicas e pela velocidade de fornecimento de combustível e oxidante aos eletrodos.

Mas voltando à idéia de uma célula de combustível comestível. Se o oxigênio do ar pode desempenhar o papel de um agente oxidante, então o que pode ser usado como combustível comestível? Depois de procurar opções de células de combustível na literatura científica, me deparei com uma solução interessante. Acontece que a glicose comum pode ser usada na forma de combustível, e esse tipo de dispositivo é chamado de célula a combustível abiótica .

A voltagem dessas células é geralmente menor que 0,5 V, a corrente é de algumas dezenas de microamperes por centímetro quadrado de eletrodo, portanto o telefone não pode ser carregado com esse dispositivo, mas no momento as células a combustível abióticas estão sendo desenvolvidas para serem usadas como baterias em sistemas microeletromecânicos biomédicos (BioMEMS) que serão implantados no corpo humano. Por que "abiótico"? Mas o fato é que existem vários tipos de células de combustível que usam glicose na forma de combustível: enzimático, microbiano e abiótico. As células de combustível enzimáticas usam enzimas isoladas para oxidar a glicose. Mas o problema é que as enzimas são desativadas rapidamente e esses sistemas geralmente perdem energia rapidamente, o que é um grande problema para sistemas implantáveis. Células de combustível microbianas, por sua vez,use microorganismos, o que também é impraticável para uso oral devido aos riscos de infecção. Ao contrário dos sistemas descritos acima, as células a combustível abióticas para processamento de glicose não usam organismos vivos ou biomoléculas, mas metais nobres.

O design ideal desse dispositivo é o seguinte: dois catalisadores de metal são imersos em uma solução de glicose, na qual também há oxigênio dissolvido. Nesse caso, um dos eletrodos é um catalisador seletivo para a oxidação da glicose e o outro para a redução de oxigênio. Ou seja, teoricamente, uma célula a combustível comestível poderia ser feita na forma de geléia doce, de um lado revestida com ouro alimentar, que oxidaria a glicose e, por outro, prata, reduzindo o oxigênio. Mas esse dispositivo funcionará?

E aqui estamos diante da segunda dificuldade em criar uma célula a combustível comestível: a maioria dos metais preciosos possui atividade catalítica tanto para oxidação da glicose quanto para redução de oxigênio. Ou seja, mesmo que a prata seja menos "sensível" à glicose e tenha melhor atividade catalítica para redução de oxigênio, a voltagem de nossa célula será menor que 0,5 V, pois a reação de redução de oxigênio será paralela ao ânodo e ao cátodo.

Em geral, eu gostaria de testar essas considerações teóricas na prática, para que as postagens a seguir falem sobre tentativas de construir uma célula a combustível abiótica comestível em casa.

Source: https://habr.com/ru/post/pt398091/