Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Сахара батареи является недавно изобрели тип biobattery , который питается мальтодекстрина и способствовали ферментных катализаторов .

Сахара батареи генерирует электрический ток от окисления на единицу глюкозы из мальтодекстрина . Окисление органического соединения производит двуокись углерода и электрический ток. В батарею заложено 13 типов ферментов , так что реакция идет до завершения и преобразует большую часть химической энергии в электрическую . Результаты экспериментов показали, что сахарная батарея той же массы может хранить как минимум в два, до десяти раз электрическую энергию, чем традиционная литий-ионная батарея.может. Ожидается, что сахарная батарея станет следующим основным типом мобильного источника электроэнергии и, возможно, источником энергии для электромобилей . Но выходное напряжение сахарной батареи (0,5 В) ниже, чем у литий-ионной батареи (3,6 В), что снижает ее электрическую мощность (скорость передачи электрической энергии).

Японская корпорация Sony впервые опубликовала теорию сахарной батареи в 2007 году. Исследовательская группа под руководством доктора YH Персиваля Чжана из Технологического института Вирджинии представила ее последнюю версию в 2014 году.

История [ править ]

Японская корпорация Sony впервые опубликовала теорию сахарной батареи в 2007 году. Этот тип сахарной батареи дышит воздухом и использует кислород в качестве окислителя . Батарея достигла ожидаемой высокой плотности энергии и приемлемого выходного напряжения. Затем в 2012 году компания сменила направление исследований на бумажную батарею , которая использует бумагу в качестве топлива. После 2013 года Sony не публиковала больше информации о своем исследовательском проекте по биобатареи . [1] [2]

Группа исследователей во главе с доктором YH Персивалем Чжаном из Технологического института Вирджинии начала проект сахарной батареи в 2009 году. Группа сначала сосредоточилась на связи с водородной экономикой . В 2014 году они опубликовали свое исследование сахарной батареи, которая использует ферменты при окислении. Этот тип сахарной батареи достиг высокой плотности энергии . Ожидалось, что сахарная батарея будет реализована в приложении через 3 года. [3] [4]

В 2017 году доктор YH Персиваль Чжан был арестован ФБР (освобожден в 2019 году). Федеральное правительство обвинило доктора Чжана по более чем двадцати пунктам обвинения. Затем доктор Чжан подал в отставку со своей должности в Технологическом университете Вирджинии. С тех пор Технологический институт Вирджинии прекратил публиковать результаты исследования сахарных батарей.

В 2019 году доктора Чжана оправдали по 19 пунктам обвинения, но признали виновным в сговоре с целью мошенничества с федеральными грантами. [5]

С 2014 года несколько китайских университетов, в том числе Чжэцзянский университет и Тяньцзиньский университет , начали работу над исследованиями сахарной батареи.

Возможные преимущества [ править ]

По сравнению с широко используемой в настоящее время литий-ионной батареей сахарная батарея имеет потенциальные преимущества во многих аспектах.

Безопасность [ править ]

По сравнению с традиционной литий-ионной батареей, сахарная батарея не требует токсичных металлов при производстве и выделяет только углекислый газ. Для производства стандартной литий-ионной батареи потребуется несколько металлов, включая, помимо прочего, свинец (Pd), кадмий (Cd) и хром (Cr). Утечки этих металлов накапливаются внутри овощей и животных, от которых зависят люди, и в конечном итоге достигают человека. [6] Кроме того, из-за перегрева литий-ионный аккумулятор может выделять до 100 видов вредных газов в организм человека. В некоторых случаях перезаряжаемая литий-ионная батарея взрывается и становится причиной травм.

Наличие топлива [ править ]

Основное топливо сахарной батареи, мальтодекстрин , можно ферментативно получить из любого крахмала, такого как кукуруза и пшеница. [7] Таким образом, мальтодекстрин является возобновляемым. Напротив, основной строительный блок литиевой батареи, карбид лития , представляет собой невозобновляемое соединение, которое естественным образом встречается в земле. Чтобы получить его, производителям необходимо добывать, извлекать и очищать. [8]

Экологичность [ править ]

Продукты реакции окисления внутри сахарной батареи - это в основном вода, диоксид углерода и пригодный для повторного использования аденозинтрифосфат (АТФ). В то время как при утилизации литиевых батарей образуются тяжелые металлы, загрязняющие почву. Согласно полевым экспериментам, некоторые виды овощей извлекают тяжелые металлы из почвы и хранят внутри концентрированные металлы. Углекислый газ, производимый сахарной батареей, не способствует кризису парниковых газов , потому что сахарная батарея использует биотопливо с нейтральным выбросом углерода . Поскольку производство топлива включает фотосинтез растений, который удаляет углекислый газ из атмосферы, новый выброс парникового газа считается нулевым углеродным следом.. [9] [10]

Высокая плотность энергии [ править ]

Полная реакция окисления единицы глюкозы в 15% растворе мальтодекстрина позволяет сахарной батарее иметь удельную энергию 596 Ач кг -1 , что примерно в два раза выше, чем у широко используемой литий-ионной батареи (~ 270 Ач кг - 1 ). На практике это означает, что срок службы батареи увеличивается. Как вариант, уменьшаются масса и объем аккумулятора. [4]

Недостатки [ править ]

Как недавно изобретенная идея, сахарная батарея еще недостаточно развита. В текущем состоянии имеет несколько недостатков.

Относительно низкое напряжение [ править ]

Хотя выходное напряжение сахарной батареи (0,5 В) превышает выходное напряжение бывших ферментативных топливных батарей за счет использования различных ферментных катализаторов, оно все же намного ниже, чем у обычно используемой литий-ионной батареи (3,6 В). [3] Это приводит к снижению электроэнергии . На практике это означает, что сахарной батарее требуется больше времени для зарядки прибора, чем литий-ионной батарее.

Потребность в воде [ править ]

Для производства топлива сахарной батареи и реакции внутри сахарной батареи для завершения требуется вода. Если аккумулятор будет широко использоваться по всему миру, это, несомненно, потребует значительного количества воды. В нынешних условиях последствием будет дальнейшее усиление нехватки воды . [11]

Дизайн [ править ]

Конструкция сахарной батареи основана на теории первичного элемента . Основными компонентами сахарной батареи являются анод , катод , мембрана и синтетический путь. Реакция окисления происходит на анодной стороне, где окисляется топливо, мальтодекстрин . Электроны высвобождаются из топлива и проходят через провод, соединенный с катодом, образуя постоянный электрический ток . Между анодом и катодом устанавливают электрические приборы, чтобы электрический ток питал прибор. [4]

Анод [ править ]

Окислительно - восстановительная реакция , которая производит электрический ток происходит в пути синтеза, где 13 ферменты , такие как глюкоза 6-фосфат и фосфоглюкомутазы , действуют в качестве катализаторов (вещества , которое является как реагентом и продукт ). Топливо, мальтодекстрин , разделяется от полимера до мономера, а затем окисляется до диоксида углерода и ионов водорода.в течение четырех реакций. В реакциях участвуют ферментные катализаторы, но поскольку они действуют и как реагент, и как продукт, количество ферментов в конечном итоге не уменьшается, так что они могут продолжать облегчать реакцию. В конце реакции одна единица глюкозы и определенное количество воды могут произвести 24 электрона. Затем электроны текут к катоду через провод, вызывая электрический ток, протекающий от катода к аноду. [4] [9]

Синтетический путь [ править ]

Синтетический путь состоит из 13 ферментов, обеспечивающих завершение окислительно-восстановительной реакции (то есть 24 электрона на единицу глюкозы). При добавлении всех этих каталитических ферментов в метаболический путь общее химическое уравнение выглядит следующим образом:

C 6 H 10 O 5 + 7H 2 O → 24e - + 6CO 2 + 24H + [4]

Теоретически одна глюкозная единица мальтодекстрина (C 6 H 10 O 5 ) генерирует 24 электрона, что делает максимальную плотность тока сахарной батареи на 35% выше, чем максимальная плотность тока аналогичной системы на основе 2 дегидрогеназ . [4] На практике исследователи из Технологического института Вирджинии измеряют фарадеевскую эффективность (процент измеренного выхода по сравнению с теоретическим) окислительно-восстановительной реакции сахарной батареи. Результат составил 97,6 ± 3,0% в условиях отсутствия кислорода для анодного отсека, что свидетельствует о высокой эффективности передачи электронов. [4]

В отличие от естественного пути, в котором используется НАДФ ( никотинамидадениндинуклеотидфосфат ) -зависимый фермент, синтетический путь использует другие цитозольные ферменты для опосредования реакции. В результате сахарная батарея не зависит от использования сложных органических химикатов (например, аденозинтрифосфата ), которые являются дорогими и нестабильными. [4] [3]

Улучшения [ править ]

Исследователи разработали конструкцию сахарной батареи из прототипов ферментных топливных элементов , которые используют ферменты в качестве катализаторов в окислительно - восстановительной реакции . Основанная на конструкции обычных ферментативных топливных элементов, сахарная батарея использует несколько методов для увеличения эффекта, производимого ферментами, так что общая эффективность батареи повышается.

Неиммобилизованные ферменты [ править ]

Ферменты в сахарной батарее больше не прикреплены к электроду и не удерживаются в ограниченном пространстве рядом с электродом. Ферменты в сахарной батарее могут свободно перемещаться в большем пространстве и сохранять ферментативную активность. Чтобы поддерживать высокоскоростной массоперенос , исследователи иммобилизовали витамин К3 на электроде. Соответствующие эксперименты показывают, что метод без иммобилизации помогает сахарной батарее достичь более высокого и стабильного уровня плотности энергии, чем обычные ферментные топливные элементы с иммобилизованными ферментами . Следовательно, удельная энергия сахарной батареи увеличилась, так что срок службы батареи увеличился. [4]

Термоэнзимы [ править ]

Термоферменты, ферменты с высокой термостабильностью , используются в качестве неиммобилизованных ферментов для обеспечения стабильности. В сахарной батарее термоферменты производятся Escherichia coli , разновидностью бактерии. Затем ферменты очищаются методом осаждения при нагревании и используются. [9]

Синтетический катаболический путь [ править ]

Реакция окисления внутри сахарной батареи происходит по синтетическому катаболическому пути, который содержит 13 ферментов . [4] Этот путь построен как дыхание воздухом, а не замкнут, поэтому исследователи обеспечивают стабильное давление воздуха внутри батареи и завершение реакции окисления. Ферменты действуют как катализаторы, поэтому их общее количество остается неизменным. Следовательно, вся реакция потребляет только топливо и воду, а ферменты рециркулируют в системе. Согласно лабораторным экспериментам, сахарная батарея достигает эффективности передачи электронов почти 24 электрона на мономер глюкозы., который является основной единицей органического топлива. Для сравнения, реакция окисления в прототипах ферментных топливных элементов могла генерировать только 2 электрона на единицу глюкозы, что приводило к низкой плотности энергии . [4]

См. Также [ править ]

  • Литий-ионный аккумулятор
  • Биобатарея
  • Список типов батарей
  • Бумажный аккумулятор
  • Ферментативный биотопливный элемент

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Sony разрабатывает» . Sony Global - штаб-квартира Sony в мире . Проверено 5 ноября 2019 .
  2. ^ «Биобатарея превращает бумагу в энергию» . 2012-03-08 . Проверено 9 ноября 2019 .
  3. ^ a b c Zhang, Y.-H. Персиваль (2009). «Замечательное готовое решение водородной экономики: разве автомобиль на сахаре - это научная фантастика?». Энергетика и экология . 2 (3): 272. DOI : 10.1039 / B818694D .
  4. ^ Б с д е е г ч я J K Zhu, Zhiguang; Кин Там, Цз; Солнце, Фангфанг; Ты, Чун; Персиваль Чжан, Ю.-Х. (Май 2014 г.). «Сахарная биобатарея с высокой энергетической плотностью на основе синтетического ферментативного пути» . Nature Communications . 5 (1): 3026. Bibcode : 2014NatCo ... 5.3026Z . DOI : 10.1038 / ncomms4026 . PMID 24445859 . 
  5. ^ «Бывший технический профессор Вирджинии признан виновным в мошенничестве с грантами, ложных заявлениях и препятствиях» . www.justice.gov . 2019-02-25 . Проверено 9 ноября 2019 .
  6. ^ Loughran, Джек (2016-10-24). «Литий-ионные аккумуляторы выделяют токсичные газы» . eandt.theiet.org . Проверено 29 октября 2019 .
  7. ^ "Мальтодекстрин" , Википедия , 4 ноября 2019 г. , получено 5 ноября 2019 г.
  8. ^ "Достаточно ли лития, чтобы удовлетворить текущий спрос на рынке батарей?" . Трест чистой энергии . 2018-02-13 . Проверено 5 ноября 2019 .
  9. ^ a b c Чен, Инь; У, Пинпин; Шао, Юфан; Инь, Ибинь (апрель 2014 г.). «Оценка риска для здоровья тяжелых металлов в овощах, выращиваемых в районе производства батарей» . Scientia Agricola . 71 (2): 126–132. DOI : 10.1590 / S0103-90162014000200006 .
  10. ^ Лодиш, Харви; Берк, Арнольд; Зипурский, С. Лоуренс; Мацудаира, Пол; Балтимор, Дэвид; Дарнелл, Джеймс (2000). «Окисление глюкозы и жирных кислот до СО2» . Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). ISBN 0-7167-3136-3.
  11. ^ «Преимущества и недостатки энергии биомассы | Компания возобновляемых источников энергии» . Коалиция за возобновляемые ресурсы . 2016-12-09 . Проверено 5 ноября 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

  • https://vtnews.vt.edu/articles/2014/01/012213-cals-battery.html
  • https://www.youtube.com/watch?v=yYaj2mrsWlc