Водород-кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных ферментов

 

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для создания электрохимических генераторов электричества, конкретно топливных элементов, использующих в качестве топлива молекулярный водород, а в качестве окислителя кислород, в том числе входящий в состав воздуха. Водород-кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных ферментов содержит водородный электрод, выполненный из углеродного материала, на котором в качестве катализатора окисления водорода иммобилизован фермент гидрогеназа, и кислородный электрод, выполненный из углеродного материала, на котором в качестве катализатора восстановления кислорода иммобилизован фермент оксидаза, разделенные между собой ионным проводником. Изобретение обеспечивает низкую чувствительность к монооксиду углерода и сероводороду, содержащимся в составе водорода, получаемого реформингом и микробиологическим путем соответственно. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области биотехнологии и используется для создания электрохимических генераторов электричества, конкретно топливных элементов, использующих в качестве топлива молекулярный водород, а в качестве окислителя кислород, в том числе входящий в состав воздуха. Топливный элемент является преобразователем химической энергии окисления водорода в электричество. Изобретение может быть использовано для транспорта, включая автомобильный транспорт, а также для бытовых целей в качестве локального источника энергии.

Топливные элементы являются химическими источниками тока, осуществляя процесс окисления топлива окислителем. Топливный элемент содержит отрицательный электрод, называемый анодом, и положительный электрод, называемый катодом. Электроды соединены ионным проводником, представляющим собой раствор электролита или ионпроводящую полимерную мембрану. Интерес к созданию топливных элементов как источников электрического тока определяется их высокими характеристиками как преобразователей энергии (кпд 50-95%). Между электродами генерируется разность потенциалов, обеспечивающая электрический ток во внешней электрической цепи.

В случае водород-кислородного топливного элемента электрохимическую реакцию, протекающую на аноде, отражает уравнение:

соответственно, катодный процесс может быть представлен в виде:

В настоящее время известно несколько типов водород-кислородных топливных элементов, использующих как жидкий электролит - переносчик ионов, так и полимерную протонпроводящую мембрану. Так, например, патент US 5707755 (1998) посвящен описанию топливного элемента на основе протонпроводящей мембраны как твердого полимерного электролита (SPE) - Патент ЕР 127414612 (дата публикации 08.01.2003), использующий в качестве ионпроводящей среды фосфорную кислоту. Использование в топливном элементе в качестве полимерного проводника твердого электролита NAFION (сульфированный перфторуглеводород, EI DuPont de Nemours & Co.) заявлено в 1993 (US Pat N 5272017, дата публикации 21.12.1993).

Наибольшее развитие в настоящее время получают топливные элементы на основе твердого полимерного полиэлектролита. Согласно US 5707755, который можно рассматривать в качестве ближайшего аналога, топливный элемент этого типа представляет комбинацию мембранного электролита и электродов, катода и анода по обе стороны разделяющей полимерной мембраны. При этом каждый из электродов плотно прижат к полимерной протонпроводящей мембране или частично погружен в мембрану. В качестве катализатора как анодного (реакция 1), так и катодного (реакция 2) процесса используется металлическая платина, нанесенная на углеродные материалы различной структуры. Согласно авторам патента организация такого рода мембранно-электродных ансамблей позволяет увеличить каталитическую эффективность катодного и анодного процессов и заметно уменьшить расход благородного металла. Оптимальный расход платины на катоде соответствует 0,07 Mg на квадратный сантиметр электрода, расход платины на анодной стороне топливного элемента в 3 раза меньше.

Во всех перечисленных выше патентах, несмотря на большое разнообразие отличий и конструкционных особенностей, общим является использование платины или ее сплавов в качестве катализаторов процессов электрохимической ионизации водорода и кислорода, протекающих по уравнению (1) и (2). Это определяется уникальными особенностями платины как катализатора электрохимических реакций.

Были сделаны многочисленные попытки создания электродов для водород-кислородных топливных элементов на основе металлов, отличных от платины (см., например, патенты Fuel cell anode based on a diser dered catalytical material US Pat 4487818 (1984-12-11) и Fuel cell catode US Pat 4430391 (1984-02-07)). Однако они не привели к существенным положительным результатам. Электроды, созданные на основе этих материалов, демонстрировали редокс-потенциалы, отличающиеся на 200-300 мВ от равновесных.

Таким образом, в настоящее время лучшие результаты получены при использовании металлической платины, как правило, в высокодисперсной форме в качестве катализаторов как анодного (реакция 1), так и катодного (реакция 2) процессов. Вместе с тем, недостатки платины при масштабированном использовании хорошо известны:

1) Платина является благородным металлом высокой стоимости, цены на платину на мировом рынке непрерывно растут.

2) Платина является невозобновляемым сырьем, регенерация которого из возможных диспергированных форм достаточно затруднена (не более 60%). Более того, всех разведанных запасов платиновых металлов при современных темпах может хватить лишь на 15-20 лет производства автомобилей.

3) Наиболее существенным недостатком платины как катализатора является ее высокая чувствительность к следам окиси углерода (СО) и сероводорода (Н₂S), содержащихся в промышленном водороде. СО и H₂S в следовых количествах необратимо ингибируют (отравляют) платину как катализатор электрохимических реакций.

Проблема необратимого ингибирования (отравление) платины низкими концентрациями окиси углерода особенно актуальна. В настоящее время наиболее экономически обоснованным процессом получения дешевого водорода является комплексная схема с реформингом метанола или углеводородного сырья. Реформинг-газ теоретически содержит 75% водорода и 25% двуокиси углерода, может непосредственно подаваться на анодную часть топливного элемента. На практике, однако, реформинг-газ содержит азот, кислород и, что самое существенное, значительные количества окиси углерода. В зависимости от метода и степени очистки содержание СО варьирует и может достигать 2% по объему.

Платиновые катализаторы весьма чувствительны к СО и практически необратимо теряют активность при содержании СО больше 10 ррm. Известны попытки уменьшить чувствительность платиновых катализаторов к ингибирующему действию окиси углерода, так, в патенте US 6007934 (1999-12-28) описан способ приготовления катализатора, позволяющий увеличить толерантность его и окиси углерода до 100 ррm. Однако заявляемое увеличение толерантности наблюдалось лишь на протяжении короткого промежутка времени.

Еще более важной является проблема отравления платиновых катализаторов сероводородом, неизбежно присутствующим в составе так называемого биогаза или водорода, полученого микробиологическим путем. Сероводород необратимо взаимодействует с поверхностью платины, полностью подавляя ее каталитическую активность. Время работы топливных электродов в присутствии сероводорода целиком и полностью определяется скоростью отравления электрокатализатора. Для обеспечения работы топливного элемента в течение 1000 часов примесь H₂S в составе водорода не должна превышать 10 частей на миллиард (ppb). Столь глубокая очистка, очевидно, приведет к резкому удорожанию топлива.

Приведенные выше характеристики платины как катализатора анодного и катодного процесса в топливных элементах (высокая стоимость, ограниченный ресурс, чувствительность к распространенным ингибирующим примесям) делает необходимым поиск принципиально новых решений. Мы предлагаем использовать в топливных элементах в качестве катализаторов ферменты. Это определяется следующими специфическими характеристиками ферментативного катализа.

1) Ферменты - высокоактивные биологические катализаторы. Расчеты показывают, что каталитическая активность ферментов настолько высока, что с их помощью могут быть достигнуты высокие удельные характеристики топливных элементов.

2) Ферменты - возобновляемые катализаторы, получаемые при необходимости в неограниченном количестве из возобновляемого сырья. Ферменты-катализаторы, свойства которых (каталитическая активность, стабильность и др.) могут быть усовершенствованы методами генетической инженерии и белкового дизайна. Существуют традиционные методы получения ферментов в промышленном масштабе.

Известны системы, в которых продемонстрированы возможности использования ферментов как катализаторов в топливных элементах. Так, компания Powerzyme представила патент РСТ WO 02/086999 А1 (15.04.2002) для окисления С1 соединений с помощью дегидрогеназ и переносчиков электронов, обеспечивающих сопряжение ферментативных и электрохимических процессов A. Heller (US Pat 2002/0025469 A1 (28.02.2002) рассматривает биохимические топливные элементы с участием ферментов. При этом продемонстрирована возможность использования окислительно-восстановительных гидрогелей и полимеров для осуществления переноса электронов между электродом и активным центром фермента. В качестве топлива в обсуждаемом патенте рассматриваются возможности использования различных биологических жидкостей и создания топливных элементов, имплантируемых в растения, животных или человека.

Как тот, так и другой из представленных выше изобретенных топливных элементов с участием ферментов не рассматривают проблемы создания ферментативного водород-кислородного топливного элемента. Кроме того, в обоих изобретениях предусматривается использование медиаторов переноса электрода, обеспечивающих необходимый обмен электронов между электродом и активными центрами ферментов. Наше изобретение направлено на создание водород-кислородного топливного элемента и основано на принципиально другом подходе. Основой нашего изобретения является осуществление прямого электрического контакта между электродом и активным центром фермента. Изобретение основано на установленной авторами способности ферментов катализировать процессы переноса электронов между электронным проводником (электродом) и субстратом в растворе электролита при непосредственном контакте активного центра фермента с электронным проводником.

В основу изобретения положено использование ферментов, способных катализировать анодный (реакция 1) и катодный (реакция 2) процессы, взамен платины и прочих благородных металлов. Каждый из ферментов иммобилизуют (адсорбируют, химически закрепляют) на электронпроводящем материале, входя неотъемлемой составляющей частью в состав электрода. Анод, или водородный электрод, содержит в своем составе фермент - гидрогеназу, осуществляющую активацию и окисление молекулярного водорода. Катод, или кислородный электрод, содержит в своем составе оксидазу, осуществляющую активацию и восстановление молекулярного кислорода непосредственно до воды. Катод и анод разделены средой, не обладающей электронной проводимостью, но обеспечивающей перенос ионов. Ионный проводник (нафионовая мембрана, раствор электролита) предотвращает электронный контакт между анодом и катодом, а также ограничивает проникновение кислорода в анодную (водородную) область топливного элемента и наоборот.

Два различных фермента, локализованные на двух пространственно разделенных электродах, генерируют электрохимические потенциалы, равные или близкие по значению соответствующим равновесным потенциалам (реакции 1, 2), обеспечивая таким образом разность потенциалов между электродами топливного элемента.

На аноде под действием фермента Е1 (гидрогеназы) происходит следующая реакция:

где Е₁ - активный центр фермента, E₁H₂ - комплекс фермента с молекулой водорода.

Необратимая стадия представляет собой перенос электронов из активного центра фермента на электрод с освобождением двух протонов в ионпроводящую среду и переносом двух электронов в электронпроводящий материал.

На катоде под действием фермента Е2 (оксидазы):

где Е₂ - активный центр второго фермента, Е₂О₂ - комплекс фермента с молекулой кислорода.

Вторая стадия также представляет собой перенос электронов из электронного проводника на активный центр фермента Е₂ с восстановлением молекулы кислорода до гидроксильных ионов.

В ионпроводящей среде происходит образование воды как продукта окисления водорода кислородом:

В качестве преимуществ топливного элемента на основе ферментов можно выделить следующие:

1. Ферменты являются полностью возобновляемыми катализаторами, их производство способно обеспечить растущий спрос на топливные элементы.

2. Стоимость ферментов при их массовом производстве существенно падает до 10-15 рублей за грамм.

3. Ферментные электроды не отравляются примесями окиси углерода (СО) и сероводорода (Н₂S), присутствующими в дешевых топливах.

4. Ферменты катализируют только присущие им реакции, неизбежное проникновение газов в противоположный отсек топливного элемента не приводит к уменьшению кпд преобразования энергии.

Водородный топливный электрод на основе иммобилизованных ферментов

Для создания водородного топливного электрода можно использовать ферменты класса оксидоредуктаз, способные к активации и окислению молекулярного водорода. Ферменты этого типа получили тривиальное название гидрогеназы.

Нами продемонстрирована возможность использования гидрогеназ из различных источников для создания водородных топливных электродов. В качестве токопроводящего носителя для иммобилизации ферментов могут быть использованы различные инертные углеродные материалы: графит, сажа, углеродистые ткани. Для иммобилизации гидрогеназ исходно гидрофобная поверхность носителя может быть: (а) подвергнута гидрофилизации химически или электрохимически, (б) модифицирована промоторами. Иммобилизация гидрогеназ может быть проведена (а) сорбцией из водного раствора, (б) нанесением на поверхность носителя с последующим высушиванием. В случае локализации фермента только на поверхности электрода гидрогеназа может быть дополнительно стабилизирована наложением химических сшивок (например, с применением глутарового альдегида) или покрытием водонерастворимым полимером (например, нафионом).

Описанные способы демонстрируются следующими примерами.

Пример 1

Углеродную ткань ТВШ гидрофилизуют в концентрированной серной кислоте в течение 15 минут, затем отмывают в фосфатном буферном растворе, рН 7.0, в течение суток. Ткань вносят в раствор гидрогеназы из пурной фототрофной серобактерии Thiocapsa roseopersicina (0.1 мг мл^-1) и оставляют для сорбции на 10-12 часов при температуре 4°С. Полученный электрод в насыщенном водородом водном растворе генерирует потенциал разомкнутой цепи 3-10 мВ относительно равновесного водородного потенциала. При перенапряжении 200 мВ ток окисления водорода составлял 0.2-0.6 мА см^-2.

Пример 2

Графитовый стержень гидрофилизуют электрохимически в фосфатном буферном растворе, рН 7.0, попеременной поляризацией в анодную и катодную области (10 минут), задавая плотность тока 30 мА см^-2. Затем электрод вносят в раствор гидрогеназы из сульфатвосстанавливающей бактерии Desulfovibrio sp. (1 мг мл^-1) и оставляют для сорбции в течение 12 часов при температуре 4°С. Полученный электрод в насыщенном водородом водном растворе генерировал потенциал разомкнутой цепи 5-15 мВ относительно равновесного водородного потенциала. При перенапряжении 75 мВ ток окисления водорода составлял 0.1-0.2 мА см^-2.

Пример 3

На углеродную ткань ЛШГ наносят раствор промотора (поливиологена) в ацетонитриле (1 мг мл^-1). Водный раствор гидрогеназы из пурной фототрофной серобактерии Th. roseopersicina (0.1 мг мл^-1) наносят на поверхность ткани и высушивают при комнатной температуре на воздухе. Полученный электрод в насыщенном водородом водном растворе генерировал потенциал разомкнутой цепи 3-5 мВ относительно равновесного водородного потенциала. При перенапряжении 200 мВ ток окисления водорода составлял 0.5-1 мА см^-2.

Пример 4

Сажу ПМ-105 смешивают с раствором нафиона в легких спиртах до содержания последнего 15-20% по массе. Смесь наносят на стеклоуглеродный стержень и высушивают. Поверхность полученного электрода затем гидрофилизуют электрохимически. Гидрогеназу из пурной фототрофной серобактерии Th. roseopersicina (0.05 мг мл^-1) наносят на поверхность электрода и высушивают при комнатной температуре на воздухе. В насыщенном водородом водном растворе ферментный электрод генерировал потенциал разомкнутой цепи 3-5 мВ относительно равновесного водородного потенциала. При перенапряжении 200 мВ ток окисления водорода составлял 0.5-1 мА см^-2.

Пример 5

Водородный ферментный электрод, приготовленный, как показано по примеру 1, стабилизируют в парах глутарового альдегида в течение 15 минут. Электрохимические характеристики электрода после обработки практически не меняются.

В качестве бесспорных преимуществ водородного ферментного электрода над платиновым следует отметить его низкую чувствительность к монооксиду углерода (СО) и сероводороду (сульфиданиону), которые содержатся в составе водорода, получаемого реформингом и микробиологическим путем соответственно.

Пример 6

Водородный ферментный электрод, полученный по примерам 1-5, помещают в атмосферу смеси Н₂ и СО. Установлено, что до содержания СО 1% электрохимические характеристики водородного ферментного электрода остаются неизменными, что позволяет эксплуатировать такой электрод на неочищенном реформинг-газе. Более того, даже после экспонирования 100% СО водородный ферментный электрод полностью восстанавливал свою активность, как только атмосфера была изменена обратно на водород. Для сравнения при экспонированиии платинового топливного электрода смеси Н₂ и СО при содержании последнего 0.1% электрод необратимо теряет свою активность на 99% всего за 10 минут.

Пример 7

Водородный ферментный электрод, полученный по примерам 1-5, помещают в раствор, насыщенный водородом, и впоследствии добавляли сульфид натрия до конечной концентрации 0.005 М. С точностью до ошибки измерений электрохимические характеристики ферментного электрода после добавления сульфида остались неизменными.

Кислородный ферментный электрод на основе иммобилизованных ферментов

Для создания кислородного электрода можно использовать фермент-оксидазу, осуществляющую восстановление молекулярного кислорода до воды. Восстановление кислорода до пероксида водорода термодинамически неэффективно: при этом в случае водород-кислородного топливного элемента теряется до 50% энергии. В качестве ферментов для приготовления кислородного электрода можно использовать полифенолоксидазы (лакказы), аскорбатоксидазу, тирозиноксидазу, цитохром с-оксидазу.

Способы получения кислородного ферментного электрода аналогичны таковым, описанным выше для водородного ферментного электрода. Целесообразно, однако, продемонстрировать их следующими примерами.

Пример 8

Углеродную ткань ЛШГ гидрофилизуют в концентрированной серной кислоте в течение 10 минут, затем отмывают в фосфатном буферном растворе, рН 7.0, в течение суток. Затем ткань помещают в раствор лакказы, изолированной из гриба Coriolos hirsitus (0.1 мг мл^-1), и сорбируют в течение 12 часов при температуре 4°С. Для стабилизации на поверхности ткани электрод выдерживался в парах глутарового альдегида в течение 15 минут. В атмосфере кислорода полученный электрод генерировал потенциал разомкнутой цепи (-30) - (-50) мВ относительно равновесного потенциала (кислород/вода) и при перенапряжении - 200 мВ ток восстановления кислорода составил 0.03 - 0.15 мА см^-2.

Пример 9

Лакказу из Polyporos versicolor суспендируют в изопропаноле и смешивают с растором нафиона. Конечное содержание фермента и полиэлектролита составляло 1 мг мл^-1 и 0.3% соответственно. Смесь добавляют к саже ПМ-105 так, чтобы содержание полиэлектролита относительно углеродного материала составило 20%, и наносят на стеклоуглеродную пластину. Электрод высушивают на воздухе. В атмосфере кислорода полученный электрод генерировал потенциал разомкнутой цепи (-30) - (-50) мВ относительно равновесного потенциала (кислород/вода) и при перенапряжении - 200 мВ ток восстановления кислорода составил 0.05-0.1 мА см^-2.

Водород-кислородный топливный элемент

Пример 10

Водородный ферментный электрод готовят, как описано выше (см примеры 1-7). Кислородный ферментный электрод готовят в соответствии с примерами (10-11). Оба электрода плотно прижимают к протонпроводящей мембране нафион (удельное сопротивление 20 Ω см). К электродам обеспечивают раздельную подачу водорода (на гидрогеназный электрод) и кислорода (на оксидазный электрод). На электродах устанавливается устойчивая разность потенциалов 1.15-1.18 V. В равновесном режиме термодинамический потенциал водород/кислородного элемента составляет 1.23 V. Таким образом, кпд преобразования энергии в обсуждаемом примере составлял 94-96%. В отсутствие ферментов на указанных электронпроводящих носителях разность потенциалов неустойчива и находится в области - 0.3-0.5 V.

Пример 11

Водородный и кислородный ферментные электроды готовят, как указано в примере 12. Оба электрода помещают в сосуд с общим электролитом (например, ацетата натрия 0.05 М и сульфата натрия 0.1 М, рН 5.0) и обеспечивают раздельную подачу водорода на анод и кислорода на катод. Между электродами генерируется разность потенциалов 1.16-1.19 V, что дает кпд преобразователя энергии 95-97%.

Области применения изобретения

Водород-кислородный ферментативный топливный элемент может найти применение в областях использования топливных элементов на основе платины. Это автомобильный транспорт, локальные источники энергии, генераторы электричества, использующие избытки водорода, например атомные электростанции. Преимуществами является использование для их создания возобновляемых катализаторов, отсутствие в их конструкции элементов благородных металлов.

Существенным представляется слабая чувствительность ферментативного топливного элемента к окиси углерода и сероводороду. Нечувствительность гидрогеназного электрода к сероводороду делает его применимым при создании систем получения электроэнергии из биологических источников водорода, например при конверсии органических отходов.

Формула изобретения

1. Водород-кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных ферментов, характеризующийся тем, что содержит водородный электрод, выполненный из углеродного материала, на котором в качестве катализатора окисления водорода иммобилизован фермент гидрогеназа, и кислородный электрод, выполненный из углеродного материала, на котором в качестве катализатора восстановления кислорода иммобилизован фермент оксидаза, разделенные между собой ионным проводником.

2. Водород-кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных ферментов по п.1, отличающийся тем, что углеродный материал подвергнут гидрофилизации химически или электрохимически или модифицирован промоторами.

3. Водород-кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных ферментов по п.1, отличающийся тем, что иммобилизация ферментов проведена сорбцией из водного раствора или нанесением на поверхность углеродного материала с последующим высушиванием.

4. Водород-кислородный топливный элемент на основе иммобилизованных ферментов по п.1, отличающийся тем, что иммобилизованные ферменты стабилизированы наложением химических сшивок или покрытием водонерастворимым полимером.