Сахар как источник энергии

Мобильные телефоны, ноутбуки, планшетные компьютеры, видеоигры или аудиоплееры, - сегодня ни одно портативное техническое устройство, нуждающееся в электроэнергии, но не подсоединенное к стационарной электросети, не может обойтись без аккумулятора - как правило, литий-ионного. Однако вскоре ему на смену, похоже, придет сконструированный теперь американскими инженерами весьма компактный топливный элемент, работающий на… сахарном сиропе, точнее - патоке.

Впрочем, прежде чем полностью вытеснить аккумулятор, этот биохимический топливный элемент должен стать своего рода дополнением к нему. По крайней мере, таковы планы разработчиков, говорит руководитель проекта Персиваль Чжан (Percival Zhang), профессор Виргинского политехнического университета в Блэксберге: "Первая модель такого топливного элемента должна появиться на рынке года через три. Поначалу это будет портативное автономное зарядное устройство для аккумуляторов. С его помощью можно заряжать аккумулятор там, где нет доступа к розетке".

Сахар как источник энергии

Патока, или мальтодекстрин, - сахаристый продукт, состоящий из декстрина, глюкозы и мальтозы и получаемый из крахмала (обычно кукурузного или картофельного) путем его неполного гидролиза. Биотопливный элемент, разработанный теперь виргинскими специалистами, производит электрический ток за счет реакции окисления сахаров кислородом воздуха.

В известной мере можно сказать, что авторы изобретения взяли за образец живую природу: ведь и в организме человека основным источником энергии для метаболических процессов служат расщепляемые ферментами углеводы - прежде всего, глюкоза. "Фермент - это биологический катализатор, - поясняет профессор Чжан. - Ферменты можно использовать для ускорения самых разных химических реакций. Для нашего топливного элемента мы разработали особую последовательность реакций, в реализации которых участвует целая группа природных ферментов. Они действуют строго согласованно, но в таком сочетании, какое в природе не встречается".

24 электрона вместо двух

13 ферментов обеспечивают в этом биотопливном элементе протекание целого каскада реакций, последовательно расщепляющих патоку сначала до глюкозы, а затем до воды и углекислого газа. Высвобождающиеся при этом электроны текут от анода к катоду, образуя электрический ток. Сама по себе идея такого ферментного топливного элемента не нова, однако до сих пор все прототипы страдали одним и тем же недостатком: крайне низкой плотностью энергии. В результате сироп приходилось то и дело добавлять.

По мнению профессора Чжана, это была явная недоработка предшественников: "Они использовали в таком элементе лишь один или два фермента. Это позволяло получать от каждой глюкозной единицы всего по два электрона. Мы же благодаря нашему набору ферментов получаем от той же самой молекулы глюкозы 24 электрона. То есть отдача одной зарядки нашего топливного элемента в 12 раз выше. Поэтому его хватает очень надолго".

Мало того, по столь важному показателю как удельная емкость, то есть емкость на единицу массы, ферментный топливный элемент превосходит и стандартные литий-ионные аккумуляторы, причем ни много ни мало в 15 раз.

Лакказа вместо платины

Впрочем, и этим его достоинства не исчерпываются, говорит профессор Чжан: "Еще одно преимущество - полная безопасность. Если вы заполняете топливный элемент сахарным сиропом, то можете не бояться, что он воспламенится или взорвется. Кроме того, все расходные компоненты в нем - биологически расщепляемые. Сахара и ферменты - это все природные соединения".

Все это, безусловно, верно, но относится, строго говоря, лишь к одной половине топливного элемента - отрицательно заряженному электроду, аноду, на котором происходит расщепление сахара. На катоде же, где выделяется кислород из воздуха, в качестве катализатора используется платина. Поэтому ближайшая задача, стоящая перед профессором Чжаном и его группой, заключается в поиске экологичной, эффективной и дешевой альтернативы этому благородному металлу. Способность к биологическому разложению - важный аргумент в пользу ферментных топливных элементов, а значит, и на катоде катализатором должно быть какое-то природное соединение - или комплекс соединений.

Наиболее перспективным материалом для катодного катализатора ученому представляются опять же ферменты - в первую очередь, так называемые лакказы. Эти окислительные ферменты, или оксидазы, уже сегодня находят широкое применение, например, в целлюлозно-бумажной промышленности в качестве мягкого отбеливателя.