Топливная батарея на сахарах показала невиданную эффективность

Александр Березин — 22 января 2014 года, 13:17

Водородные топливные батареи нуждаются в платине, да и водород для них не слишком дёшев и распространён. Могут ли их энзимные аналоги, использующие вместо газа сахара, оказаться более практичным источником энергии?

Группа исследователей под руководством Персиваля Чжана (Y.H. Percival Zhang) из Политехнического университета Виргинии (США) разработала перезаряжаемую батарею на основе сахаров, по удельной ёмкости во много раз превосходящую современные литий-ионные аналоги.

«Сахар — отличное средство хранение энергии в природе, — поясняет г-н Чжан. — Вполне логично попробовать использовать его возможности, чтобы создать экодружелюбные батареи».

Персиваль Чжан (справа) и Чжигуан Чжу показывают свои «сахарные» батареи. (Здесь и ниже иллюстрации Virginia Tech College of Agriculture and Life Sciences.)


Учёные использовали каскадный набор энзимов, смешанный в комбинации, не встречающейся в природе, одновременно недорогой и эффективной.

По сути, конечная система весьма близка к водородному или прямометанольному топливному элементу. За несколькими важными отличиями: «топливом» в новой сахарной батарее служит мальтодекстрин — полисахарид, получаемый частичным гидролизом крахмала (если пожевать крахмал, вы ощутите именно его вкус). Окислителем выступает атмосферный воздух, а «выхлопом» — обычная вода. И никакой нужды в платине как катализаторе, так как её роль играют дешёвые энзимы.



Новая энзимная батарея, равно как и её топливо, невзрывоопасна, не горит, а материалы, из которых она сделана, вполне биоразлагаемы. Батарея легко перезаряжается при помощи операции, по сложности не превосходящей замену картриджа в принтере.

Энзимные топливные элементы, подчёркивают исследователи, не новость, но до сих пор их эффективность была не слишком высокой. Окисление сахаров в них управлялось одним или несколькими энзимами, что не позволяло полностью использовать материал в качестве топлива. В новой же установке удаётся получить гораздо больше электронов, что резко увеличивает отдачу энергии на единицу массы сахаров, хотя для этого и приходится использовать последовательно 13 видов энзимов.

Энзимные топливные батареи с 15-процентным раствором мальтодекстрина (патоки) имеют плотность накопления энергии в 596 А•ч/кг — на порядок больше, чем у перезаряжаемых литиевых батарей, применяемых сегодня. И это не удивляет, благо и полисахариды не литий по числу электронов, и окислитель новым батареям нести не приходится, потому что они берут его прямо из воздуха.

Сравнение нового источника энергии (EFC) с традиционными впечатляет, хотя напряжение одиночного элемента питания не слишком велико.


Наилучшие перспективы для таких систем их авторам видятся в портативной электронике, где они могут обеспечить куда более длительную работу на одной зарядке.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Подготовлено по материалам Виргинского политехнического университета.