Сахарная батарея
 | Эту статью может потребовать очистки Википедии , чтобы она соответствовала стандартам качества . Конкретная проблема заключается в следующем: многообещающим аспектам придается чрезмерный вес. ( Октябрь 2023 г. ) |
Сахарная батарея — это новый тип биобатарейки , которая питается мальтодекстрином и поддерживается ферментативными катализаторами .
Сахарная батарея генерирует ток путем окисления глюкозной единицы мальтодекстрина . электрический Окисление органического соединения приводит к образованию углекислого газа и электрического тока. 13 видов ферментов В батарею заложено , чтобы реакция шла до конца и преобразовывала большую часть химической энергии в электрическую . Результаты экспериментов показали, что сахарная батарея той же массы может хранить как минимум в два, а то и в десять раз больше электрической энергии , чем традиционная литий-ионная батарея . Ожидается, что сахарная батарея станет следующим универсальным типом мобильного источника электроэнергии и возможным источником энергии для электромобилей . сахарной батареи Но выходное напряжение (0,5 В) ниже, чем у литий-ионной батареи (3,6 В), из-за чего ее электрическая мощность (скорость передачи электрической энергии) низкая.
Японская корпорация Sony впервые опубликовала теорию сахарной батареи в 2007 году. Исследовательская группа под руководством доктора Ю. Х. Персиваля Чжана из Технологического института Вирджинии представила последнюю версию теории в 2014 году.
История
[ редактировать ]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 дополнительную информацию о своем исследовательском проекте по биобатареям . [1] [2]
Исследовательская группа под руководством доктора Ю. Х. Персиваля Чжана из Технологического института Вирджинии начала проект сахарной батареи в 2009 году. Сначала команда сосредоточилась на связи с водородной экономикой . В 2014 году они опубликовали свое исследование сахарной батареи, в окислении которой используются ферменты. Этот тип сахарных батарей достиг высокой плотности энергии . Ожидалось, что сахарная батарея будет реализована в применении через 3 года. [3] [4]
В 2017 году доктор Ю. Х. Персиваль Чжан был арестован ФБР ( освобожден в 2019 году). Федеральное правительство обвинило доктора Чжана более чем по двадцати пунктам обвинения. [ нужен пример ] . Затем доктор Чжан подал в отставку со своей должности в Технологическом институте Вирджинии. С тех пор Технологический институт Вирджинии прекратил публикацию результатов исследования сахарных батарей.
В 2019 году доктор Чжан был оправдан по 19 пунктам обвинения, но признан 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 исследования сахарной батареи.
Потенциальные преимущества
[ редактировать ]По сравнению с широко используемыми в настоящее время литий-ионными батареями , сахарная батарея имеет потенциальные преимущества во многих аспектах.
Безопасность
[ редактировать ]По сравнению с традиционным литий-ионным аккумулятором, сахарный аккумулятор не требует при производстве токсичных металлов и выделяет только углекислый газ. Для производства стандартной литий-ионной батареи потребуется несколько металлов, включая, помимо прочего, свинец (Pd), кадмий (Cd) и хром (Cr). Утечка этих металлов накапливается внутри овощей и животных, от которых зависит человек, и в конечном итоге достигает человека. [6] Кроме того, перегрев может привести к выделению литий-ионным аккумулятором до 100 видов вредных для организма человека газов. В некоторых случаях литий-ионная аккумуляторная батарея взрывается, что может привести к травмам.
Наличие топлива
[ редактировать ]Основное топливо сахарной батареи, мальтодекстрин , может быть получено ферментативным путем из любого крахмала, например кукурузного и пшеничного. [7] Следовательно, 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
[ редактировать ]Продуктами реакции окисления внутри сахарной батареи являются в основном вода, углекислый газ и перерабатываемый аденозинтрифосфат (АТФ). В то время как при утилизации литиевых батарей образуются тяжелые металлы, загрязняющие почву. По данным полевых экспериментов, некоторые виды овощей извлекают тяжелые металлы из почвы и хранят их в концентрированном виде. Углекислый газ, производимый сахарной батареей, не способствует кризису парниковых газов , поскольку сахарная батарея использует биотопливо, углеродно-нейтральное . Поскольку производство топлива включает фотосинтез растений, которые удаляют углекислый газ из атмосферы, выбросы нового парникового газа считаются нулевым углеродным следом . [9] [10]
Высокая плотность энергии
[ редактировать ]Реакция полного окисления единичной глюкозы в 15% растворе мальтодекстрина позволяет сахарной батарее иметь плотность энергии 596 Ач кг. −1 , что более чем в два раза превышает аналогичный показатель широко используемого литий-ионного аккумулятора (~270 Ач кг). −1 ). При применении это означает, что срок службы батареи увеличивается. Альтернативно можно уменьшить массу и объем аккумулятора. [4]
Недостатки
[ редактировать ]Сахарная батарея — это недавно изобретенная идея, которая еще недостаточно развита. В нынешнем состоянии он имеет ряд недостатков.
Относительно низкое напряжение
[ редактировать ]Хотя выходное напряжение сахарной батареи (0,5 В) превышает напряжение прежних ферментативных топливных батарей за счет использования различных ферментативных катализаторов, оно все же намного ниже, чем у широко используемой литий-ионной батареи (3,6 В). [3] Это приводит к низкой электроэнергии . При применении это означает, что сахарному аккумулятору требуется больше времени для зарядки устройства, чем литий-ионному аккумулятору.
Потребность в воде
[ редактировать ]Для производства топлива сахарной батареи и реакции внутри сахарной батареи требуется вода. Если аккумулятор будет широко использоваться по всему миру, это, несомненно, приведет к необходимости использования значительного количества воды. В нынешних условиях последствием этого будет дальнейшее усиление дефицита воды . [11] Это слабый аргумент против, поскольку любое сельское хозяйство или многие другие промышленные процессы потребляют воду в больших количествах.
Дизайн
[ редактировать ]Конструкция сахарной батареи основана на теории первичного элемента . Основными компонентами сахарной батареи являются анод , катод , мембрана и синтетический путь. Реакция окисления топливо — мальтодекстрин происходит на анодной стороне, где окисляется . Электроны высвобождаются из топлива и проходят через провод, соединенный с катодом, образуя постоянный электрический ток . Электроприборы устанавливаются между анодом и катодом так, чтобы электрический ток питал прибор. [4]
Анод
[ редактировать ]Окислительно -восстановительная реакция, вызывающая электрический ток, происходит по синтетическому пути, где 13 ферментов , таких как глюкозо-6-фосфат и фосфоглюкомутаза , действуют как катализаторы (вещество, которое является одновременно реагентом и продуктом ). Топливо, мальтодекстрин , разделяется от полимера до мономера , а затем окисляется до диоксида углерода и ионов водорода в ходе четырех реакций. В реакциях участвуют ферментативные катализаторы, но поскольку они действуют и как реагент, и как продукт, количество ферментов в конечном итоге не уменьшается, так что они могут продолжать способствовать реакции. В конце реакции одна единица глюкозы и определенное количество воды могут дать 24 электрона. Затем электроны перетекают к катоду через провод, вызывая электрический ток, текущий от катода к аноду. [4] [9]
Синтетический путь
[ редактировать ]Синтетический путь состоит из 13 ферментов, обеспечивающих окислительно-восстановительной реакции завершение (т. е. образование 24 электронов на единицу глюкозы). Если добавить в этот путь все эти каталитические ферменты, общее химическое уравнение будет выглядеть так:
Теоретически одна 6 глюкозная единица мальтодекстрина (C H 10 O 5 ) сахарной батареи генерирует 24 электрона, что делает максимальную плотность тока на 35% выше максимальной плотности тока аналогичной системы на основе 2 дегидрогеназ . [4] На практике исследователи из Технологического института Вирджинии измеряют фарадеевскую эффективность (процент измеренной мощности по сравнению с теоретической) окислительно-восстановительной реакции сахарной батареи. Результат составил 97,6±3,0% в бескислородных условиях анодного отделения, что свидетельствует о высокой эффективности передачи электронов. [4]
В отличие от естественного пути, который использует 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 дороги и нестабильны. [4] [3]
Улучшения
[ редактировать ]Исследователи разработали конструкцию сахарной батареи на основе прототипа ферментативных топливных элементов , которые используют ферменты в качестве катализаторов реакции окислительно-восстановительной . Основанная на конструкции обычных ферментативных топливных элементов, сахарная батарея использует несколько методов для усиления эффекта, производимого ферментами, чтобы повысить общую эффективность батареи.
Неиммобилизованные ферменты
[ редактировать ]Ферменты сахарной батареи больше не прикреплены к электроду и не задерживаются 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 позволяют предположить, что безиммобилизационный метод помогает сахарной батарее достичь более высокого и стабильного уровня плотности энергии , чем обычные ферментные топливные элементы с иммобилизованными ферментами . Следовательно, плотность энергии сахарной батареи увеличилась, что продлило срок ее службы. [4]
Термоферменты
[ редактировать ]Термоферменты, ферменты с высокой термостабильностью , используются в качестве неиммобилизованных ферментов для обеспечения стабильности. В сахарной батарее термоферменты производятся кишечной палочкой . Затем ферменты очищают методом термоосаждения и вводят в эксплуатацию. [9]
Синтетический катаболический путь
[ редактировать ]Реакция окисления внутри сахарной батареи происходит по синтетическому катаболическому пути, в котором участвуют 13 ферментов . [4] Этот путь сконструирован как дышащий воздухом, а не закрытый, чтобы исследователи обеспечили стабильное давление воздуха внутри батареи и реакцию окисления до конца. Ферменты действуют как катализаторы , поэтому общее их количество остается неизменным. Таким образом, в ходе общей реакции расходуются только топливо и вода, в то время как ферменты перерабатываются в системе. Согласно лабораторным экспериментам, сахарная батарея достигает эффективности передачи электронов почти 24 электронов на мономер глюкозу , которая является основной единицей органического топлива. Для сравнения, реакция окисления в прототипах ферментативных топливных элементов могла генерировать только 2 электрона на единицу глюкозы, что приводило к низкой плотности энергии . [4]
См. также
[ редактировать ]- Литий-ионный аккумулятор
- Биобатарея
- Список типов батарей
- Бумажная батарейка
- Ферментативный биотопливный элемент
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Сони Девелопмент» . Sony Global — Глобальная штаб-квартира Sony . Проверено 5 ноября 2019 г.
- ^ «Биобатарея превращает бумагу в энергию» . 08.03.2012 . Проверено 9 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с Чжан, Ю.-Х. Персиваль (2009). «Необычное решение проблемы водородной экономики: является ли автомобиль, работающий на сахаре, научной фантастикой?». Энергетика и экология . 2 (3): 272. дои : 10.1039/B818694D .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Чжу, Чжигуан; Кин Там, Цз; Сунь, Фанфанг; Ты, Чун; Персиваль Чжан, Ю.-Х. (май 2014 г.). «Сахарная биобатарея с высокой энергетической плотностью, основанная на синтетическом ферментативном пути» . Природные коммуникации . 5 (1): 3026. Бибкод : 2014NatCo...5.3026Z . дои : 10.1038/ncomms4026 . hdl : 10919/87717 . ПМИД 24445859 .
- ^ «Бывший профессор технологического института Вирджинии признан виновным в мошенничестве с грантами, ложных заявлениях и препятствовании» . www.justice.gov . 2019-02-25 . Проверено 9 ноября 2019 г.
- ^ Логран, Джек (24 октября 2016 г.). «Обнаружено, что литий-ионные аккумуляторы выделяют токсичные газы» . eandt.theiet.org . Проверено 29 октября 2019 г.
- ^ ПабХим. «Мальтодекстрин» . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 4 апреля 2024 г.
- ^ «Достаточно лития, чтобы удовлетворить текущий спрос на рынке аккумуляторов?» . Фонд чистой энергии . 13 февраля 2018 г. Проверено 5 ноября 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с Чен, Ин; Ву, Пинпин; Шао, Юфан; Ин, Ибинь (апрель 2014 г.). «Оценка риска для здоровья тяжелых металлов в овощах, выращиваемых в районе производства аккумуляторов» . Наука Агрикола . 71 (2): 126–132. дои : 10.1590/S0103-90162014000200006 .
- ^ Лодиш, Харви; Берк, Арнольд; Зипурски, С. Лоуренс; Мацудайра, Пол; Балтимор, Дэвид; Дарнелл, Джеймс (2000). «Окисление глюкозы и жирных кислот до CO2» . Молекулярно-клеточная биология (4-е изд.). ISBN 0-7167-3136-3 .
- ^ «Преимущества и недостатки энергии биомассы | Компания возобновляемых ресурсов» . Коалиция возобновляемых ресурсов . 09.12.2016 . Проверено 5 ноября 2019 г.
