Printed enzymatic glucose/air batteries: performance, stability and mass-manufacturing

Tutkimustuotos

Tutkijat

  • Saara Tuurala

Organisaatiot

Kuvaus

Entsymaattinen biopolttokenno (EBPK) muuntaa biopolttoaineen kemiallisen energian sähköksi biosähkökemiallisten reaktioiden avulla. Entsyymien käyttö metallikatalyyttien sijaan tuo monia etuja mm. uusiutuvuuden ja myrkyttömyyden. Entsyymit ovat kuitenkin varsin herkkiä muutoksille lämpötilassa, pH:ssa ja kosteudessa. Tästä syystä entsyymit tyypillisesti immobilisoidaan elektrodeihin joko kemiallisen tai fysikaalisen adsorption avulla. Elektrodit useimmiten upotetaan nestekennoon, joka sisältää optimaalisen elektrolyytin. Näin ollen tavanomaisen EBPK:n kokoonpano ei ole käytännöllinen, mistä syystä kehitettiin uudenlainen EBPK-rakenne. Tässä työssä painettiin silkkipainotekniikalla entsymaattisia elektrodeja (4-12 cm2) paperipohjaisille alustoille luoden ohuita (n. 1 mm) ja taipuisia EBPK:ja. Työn tuloksena saatiin massatuotettava glukoosi/ilma bioparisto, joka voidaan säilyttää kuivana ja aktivoida tarpeen tullen puskuri-liuoksella. Bioparistojen teho on µW-luokkaa, mutta useita parannusmahdollisuuksia tehon suurentamiseksi on esitelty tässä työssä. Bioparisto voisi soveltua esim. matalatehoisten sensorien, RFID-tunnisteiden tai jopa iholle asetettavien kosmeettisten/lääkinnällisten lappujen virtalähteiksi. Anodientsyymeinä tutkittiin kaupallista glukoosioksidaasia (GOx) sekä VTT:llä tuotettua aldoosi-dehydrogenaasia (ALDH). Katodientsyymeinä tutkittiin kahta VTT:llä tuotettua lakkaasia, joista ensimmäisen alkuperä on Trametes hirsuta (ThL) ja toisen Melanocarpus albomyces. Näiden lisäksi tutkittiin teollista lakkaasia (EcoL). Menetelmät pitivät sisällään musteiden valmistusta erilaisten hiilien, bioyhteensopivien sidosaineiden ja entsyymi-mediaattori -parien avulla. Ensimmäiset painokokeet suoritettiin laboratoriossa käyttäen eri entsyymi-mediaattori -pareja sekoitettuna kaupalliseen hiilipohjaiseen musteeseen. Tämän jälkeen tuotanto laajennettiin käyttäen GOx ja EcoL entsyymejä yhdessä VTT:llä tuotettujen grafiittipohjaisten musteiden kanssa. Painetut EBPK:t karakterisoitiin pääsääntöisesti sähkökemiallisia tekniikoita käyttäen. Paras laboratoriossa saavutettu tehotiheys (Pmax = 3.5 µW cm-2) saatiin ALDH/ThL-kennolla, jonka avoimenpiirinjännite (OCV) oli 0.62 V ja enimmäisenergia (E) n. 10 µWh cm-2. Parhaan GOx/ThL-kennon OCV oli 0.38 V, Pmax = 1.4 µW cm-2 ja E = 5.5 µWh cm-2. Koe-erässä tuotettujen kennojen suorituskyky oli 50-90 % alhaisempi, koska käytetyt musteseokset olivat erilaiset sekä entsyymi-mediaattori -parien ikääntyminen kiihtyi kohotetun kuivatuslämpötilan (23 °C v. 70 °C) ja pidennetyn säilytyksen (yksi päivä v. yksi viikko) vuoksi. Painettujen entsyymien (GOx ja EcoL) stabiilius oli hyvä, sillä ne menettivät korkeintaan 40 % aktiivisuudestaan kuivatus- ja säilytyslämpötilasta riippumatta. Mediaattorien lisääminen musteisiin kiihdytti entsyymien ikääntymistä, ja 70-80 % aktiivisuudesta oli menetetty kuukauden säilytyksen aikana. Anodi todettiin olevan rajoittava tekijä, minkä vuoksi erilaisia tapoja testattiin anodin suorituskyvyn parantamiseksi.

Yksityiskohdat

Julkaisun otsikon käännösPainetut entsymaattiset glukoosi/ilma paristot: suorituskyky, stabiilisuus ja massatuotanto
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
Valvoja/neuvonantaja
Kustantaja
  • Aalto University
Painoksen ISBN978-952-60-7412-2, 978-951-38-8537-3
Sähköinen ISBN978-952-60-7411-5, 978-951-38-8536-6
TilaJulkaistu - 2017
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

  • entsymaattinen biopolttokenno, entsymaattiset elektrodit, bioparisto, silkkipainatus

ID: 17673194