Untitled 53 Soá 11 naêm 2018 Khoa học và đời sống Kỹ thuật chế tạo pin nhiên liệu đã được cải thiện đáng kể trong 30 năm qua, dẫn đến sự phát triển của ô tô điện với lượng khí thải bằng 0 và hiệu su[.]
Khoa học đời sống công nghệ pin nhiên liệu từ đường Trần Duy Tập Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh K ỹ thuật chế tạo pin nhiên liệu cải thiện đáng kể 30 năm qua, dẫn đến phát triển tơ điện với lượng khí thải hiệu suất độ bền cải thiện mong muốn [1, 2] Pin nhiên liệu tạo lượng điện cách chuyển đổi lượng phản ứng hóa học nhiên liệu oxy thành điện, thường thông qua phân tách màng điện phân Hầu hết pin nhiên liệu hoạt động cách sử dụng màng điện phân polyme để tách nhiên liệu (thường hydro nguyên chất) nhiệt độ khoảng 1000C Ngoài ra, chất xúc tác kim loại quý bạch kim (Pt) phủ lên carbon, sử dụng để tăng tốc độ phản ứng cực dương cực âm để tạo dòng điện [3, 4] Các pin nhiên liệu hoạt động dùng nhiên liệu sinh học giai đoạn nghiên cứu Nhưng thay cho nhiên liệu hydro, methanol sử dụng làm nhiên liệu sử dụng ứng dụng di động máy tính xách tay điện thoại di động [3] Tuy nhiên, vật liệu làm xúc Việc ăn đường làm cho cảm thấy khỏe mệt mỏi, tế bào sử dụng đường để tạo lượng Song có lẽ biết rằng, đường sử dụng để tạo lượng pin nhiên liệu sinh học nhân tạo hoạt động môi trường sống tác cực dương cần bảo vệ khỏi ăn mòn sản phẩm thứ cấp sau phản ứng màng điện phân cần hạn chế ngăn chặn rò rỉ nhiên liệu qua màng Trong báo đăng tải tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (Journal of the American Chemical Society), Mano cộng chứng minh glucose, phân tử phức tạp nhiều so với hydro methanol, sử dụng để dẫn electrons pin nhiên liệu thu nhỏ [5] Đáng ý, pin nhiên liệu vận hành mà không cần màng điện phân để tách oxy khỏi nhiên liệu (pin nhiên liệu thông thường hoạt động điều kiện này) Các pin nhiên liệu thu nhỏ không phải sử dụng hệ thống phát nồng độ rượu thở hay cảm biến oxy cho xe tơ Ví dụ, chấm bạch kim rộng khoảng mm2 màng zirconia sử dụng cảm biến oxy [6] Thậm chí cảm biến tốt thực cách làm cho chấm bạch kim có diện tích nhỏ Giới hạn kích thước pin nhiên liệu chưa thể biết, khơng khó để tạo chấm bạch kim có diện tích 0,01 mm2, tức thấp 40 lần so với kích thước cơng bố Mano cộng Vì vậy, kích thước nhỏ tế bào pin nhiên liệu không phải đặc biệt bật Điều đáng ngạc nhiên pin nhiên liệu Mano cộng sử dụng glucose làm nhiên liệu hình dạng tế bào pin đơn ngăn (hình 1) Cả hai điều địi hỏi phải có tiến đáng kể vật liệu xúc tác sử dụng cực dương cực âm Glucose lần sử dụng pin nhiên liệu điện cực enzyme vào năm 1964 Yahiro, Lee Kimble [7], sau cải tiến Persson Gorton, glucose oxy hóa cực dương carbon cách sử dụng enzyme glucose hydroase [8] Mano cộng sử dụng enzyme khác - glucose oxidase, thu từ vi khuẩn Aspergillus niger - cố định bề mặt sợi carbon (hoạt động anode) Để vận chuyển electron từ vị trí phản ứng glucose đến sợi carbon, polyme oxy Soá 11 năm 2018 53 cộng Vì vậy, kích thước nhỏ tế bào pin nhiên liệu đặc biệt bật Điều đáng ngạc nhiên pin nhiên liệu Mano cộng sử dụng glucose làm nhiên liệu hình dạng tế bào pin đơn ngăn (hình 1) Cả hai tính địi hỏi phải có tiến đáng kể vật liệu xúc tác sử dụng cực dương cực âm Glucose lần sử dụng pin nhiên Khoa học đời sống liệu điện cực enzyme vào năm 1964 Yahiro, Lee Kimble [7], sau cải tiến Persson Gorton, glucose oxy hóa cực dương carbon cách sử dụng enzyme glucose hydroase [8] Glucose Sợi carbon Oxy Hình Cấu hình phận pin nhiên liệu glucose phát triển Mano [5] Các điệnpincực sợi carbon đượctriển phủbởi màng Hình Cấu hìnhcộng phận nhiên liệu glucose phát Manohydrogel khâu loạicực chứa mộtsợienzyme khácphủ vàhydrogel polymekhâu oxy mạch, hóa khử Thiết kế cộngmạch, [5] Các điện carbon màng loại tế bào pin nhiên liệu đơn ngăn dựa thực tế enzyme chất xúc tách nhiên liệu (glucose) khỏi chất oxy hóa tác đặc biệt Do khơng có màng để (oxy), enzyme khác cực dương cực âm phản ứng với glucose oxy tương ứng hóa trộn lẫn với enzyme khâu mạch vào sợi carbon dạng hydrogel Enzyme sử dụng để xúc tác oxy, bilirubin oxidase từ vi khuẩn Trachyderma tsunodae trộn lẫn với polyme oxy hóa thứ hai để tạo thành màng hydrogel xung quanh cathode - tức sợi carbon thứ hai - để chuyển electron từ carbon sang oxy Những hỗn hợp enzyme-polyme ổn định khoảng tuần cho phép tạo lượng từ phản ứng điện cực glucose-oxy Khoảng mW thu cm2 pin, tức 1.000 lần mật độ lượng cần thiết để cung cấp cho ô tô hoạt động Tuy nhiên, glucose trường hợp bị pha lỗng nhiều, có 15 mM, hoạt động nhiệt độ khoảng 370C chất độn sinh lý Lưu ý điều kiện lợi cho pin nhiên liệu thơng thường 54 hoạt động Mặc dù lượng công suất nhỏ không đủ để điều khiển động xe ô tô hữu ích để vận hành cảm biến sinh học cấy ghép sinh vật sống Điểm đặc biệt thí nghiệm chúng thực ngăn đơn Nói cách khác, khơng có màng để tách điện cực nhiên liệu khỏi điện cực oxy Điều có nghĩa nhiên liệu oxy trộn lẫn pin khơng có gradient hóa học để tạo điện áp pin nhiên liệu Do đó, trạng thái cân bằng, khơng có điện áp dịng điện từ pin Vì vậy, tế bào pin sinh lượng chất xúc tác cực dương cực âm phân biệt chất phản ứng với nhiên liệu chất oxy hóa Sự kết hợp enzyme polyme sợi carbon Số 11 naêm 2018 hoạt động pin nhiên liệu đơn ngăn thiết kế Mano cộng rõ ràng không thực hiểu rõ hệ thống lại hoạt động Việc tạo lượng thành công từ phân tử phức tạp môi trường sinh lý thành tựu đáng kể đưa đến thách thức mới, làm để hiểu cách xác tương tác enzym polyme Một hiểu biết tốt chế phản ứng liên quan giúp nhà nghiên cứu tối ưu hóa pin nhiên liệu để chế tạo thiết bị chức tích hợp vào hệ thống sinh học ? TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.M Nasef (2014), Chem Rev., 114, pp.12278-12329 [2] T.T Duy, S Sawada, S Hasegawa, Y Katsumura, Y Maekawa (2013), J Membr Sci., 447, pp.19-25 [3] L Gubler (2014), L Adv Ener Mater., 4, 1300827 [4] T.D Tap, D.D Khiem, L.L Nguyen, N.Q Hien, L.Q Luan, P.B Thang, S Sawada, S Hasegawa, Y Maekawa (2018), Radiat Phys Chem., 151, pp.186-191 [5] N Mano, F Mao & A Heller (2002), J Am Chem Soc., 124, pp.12962-12963 [6] R.C Copcutt, A.C King & K Kendall (1996), Proc R Soc Lond A, 452, pp.2639- 2653 [7] A.T Yahiro, C.W Lee, D.O Kimble (1964), Biochim Biophys Acta., 88, pp.375-383 [8] B Persson & L Gorton (1985), Enzyme Microb Technol., 7, pp.549552 ... bào pin nhiên liệu đặc biệt bật Điều đáng ngạc nhiên pin nhiên liệu Mano cộng sử dụng glucose làm nhiên liệu hình dạng tế bào pin đơn ngăn (hình 1) Cả hai tính địi hỏi phải có tiến đáng kể vật liệu. .. điện cực nhiên liệu khỏi điện cực oxy Điều có nghĩa nhiên liệu oxy trộn lẫn pin gradient hóa học để tạo điện áp pin nhiên liệu Do đó, trạng thái cân bằng, khơng có điện áp dịng điện từ pin Vì... Glucose Sợi carbon Oxy Hình Cấu hình phận pin nhiên liệu glucose phát triển Mano [5] Các điệnpincực sợi carbon đượctriển phủbởi màng Hình Cấu hìnhcộng phận nhiên liệu glucose phát Manohydrogel khâu