Biobrændselscelle skal sende ædelmetaller på pension

Industrien er vilde med ideen om brændselsceller. Den lille anordning, der lydløst kan omdanne brint til elektricitet uden andet spildprodukt end vand - i den mest berømte version.

Brændselsceller kan også udvikles til at benytte mange andre forskellige brændstoffer, der indeholder brint, og kan i princippet tilknyttes alt fra biogasanlæg og vindmøller til husholdninger og mobiltelefoner.

I selve anvendelsen er brændselsceller skånsomme mod miljøet. Men når det gælder fremstillingen af en brændselscelle, kan der hurtigt opstå problemer, når udbredelsen vokser. For brændselsceller indeholder ædelmetaller – især platin – og det er ikke bare dyrt og sjældent, men også årsag til miljøforurening, når platinpartikler uundgåeligt udsendes i omgivelserne.

De faktorer er med til at gøre brændselsceller til et mindre attraktivt valg end kendte og billigere teknologier.

For at gøre energi fra brændselsceller både billigere og mere miljøvenlig starter et helt nyt forskningsprojekt på DTU Kemi, som skal udforske mulighederne for at udvikle en brændselscelle, der udelukkende er biologisk baseret.

Projektet er finansieret af Det Frie Forskningsråd, og det ledes af lektor Jingdong Zhang.

»Det er et ambitiøst projekt. Hvis det går rigtig godt, vil vi kunne fremstille en prototype på en biokatalysator til en brændselscelle. Hvis vi ikke når det fuldt ud på de fire år, vi har fået nu, vil vi stadig kunne bruge vores forskningsresultater til at skubbe på og udforske mulighederne for disse nye typer brændselsceller. Jeg har stor tillid til projektet, og jeg glæder mig til at gå i gang,« siger Jingdong Zhang.

Ædelmetaller skal på pension

En brændselscelle består af to elektroder adskilt af en membran og en elektrolyt. Ved den første elektrode (anoden) tilsættes brint/brændstof, og elektroden spalter elektroner og protoner fra brændstoffet.

Protonerne vandrer gennem den elektrisk isolerede membran, mens elektronerne ledes videre i modsat retning og indgår i et elektrisk kredsløb (f.eks. til at drive en motor). Protoner og elektroner mødes igen ved den anden elektrode (katoden), hvor de sammen med oxygen danner vand.

For at spalte brændstoffet er der brug for en katalysator. Det er normalt ædelmetallernes job. Men i en biobrændselscelle vil forskerne i stedet imitere naturens egen måde at omdanne kemisk energi i de biologiske celler på.

I cellers respiratoriske system er det enzymer, der er katalysatorer for de biologiske processer, og inspireret af det, vil forskerne på DTU finde enzymer, der kan erstatte de kostbare metaller.

Fire udfordringer skal overvindes

For at finde et egnet biomateriale er der fire udfordringer, der skal overvindes. For det første skal det biomateriale, der bruges, være billigt at producere. For uanset om en biobrændselscelle er miljøvenlig eller ej, bliver den først kommercielt interessant, hvis prisen er konkurrencedygtig.

»Vi har allerede mange kandidater, som vi gerne vil afprøve. Især de billige. Det må ikke være for dyrt at fremstille biobrændselscellen,« fortæller Jingdong Zhang.

For det andet skal biomaterialet operere optimalt ved en neutral pH-værdi, så systemet hverken kræver et særlig basisk eller surt miljø. Det ville gå ud over brændselscellens holdbarhed.

For det tredje skal katalysatorerne kunne fungere ved lave temperaturer, d.v.s. omkring stuetemperatur.

Den fjerde og allerstørste udfordring er, at de enzymer, der kan bruges som katalysatorer, skal være lette at nedbryde, når de er uden for deres naturlige miljø.

»De har en meget kort levetid, og det gør systemet ustabilt. Det betyder, at der vil være en grænse for, hvor meget brændselscellen kan producere, fordi katalysatormolekylerne, altså enzymerne, nedbrydes undervejs,« forklarer Jingdong Zhang, der på DTU Kemi er tilknyttet gruppen NanoKemi.

Grafen skal gøre enzymerne stabile

Ustabiliteten forventer forskerne at kunne råde bod på ved at binde proteinerne på grafen. Grafen har mange fordele. Det er billigt, bæredygtigt, kemisk stabilt, og ikke mindst er det elektrisk ledende. Og fordi det ikke er metallisk, korroderer det ikke i brændselsprocessen.

»Vi kan kemisk fremstille en opløsning med grafen, der kan omdannes til fast materiale med 3D struktur. Det er den variant, vi vil bruge som platform. Vi startede med at udvikle en kemisk fremstilling af grafen allerede i 2010,« forklarer Jingdong Zhang.

Det er kendt, at ustabile enzymer kan bindes til eller indkapsles i et andet materiale, som kan beskytte dem fra at nedbrydes. Kunsten er at bevare enzymets aktivitet, og med biokatalysatorer bevæger forskerne sig ind på et helt nyt område.

»Det skal nok lykkes«

»Vi har testet, om vi kunne binde et protein til vores grafen. Det er vanskeligt, men vi ved, at det kan lade sig gøre, og vi har observeret klare elektrokemiske signaler,« fortæller Jingdong Zhang.

Næste skridt for forskerne er at prøve sig frem med egnede enzymer, som de allerede ved kan fraspalte brændstofmolekylerne. Derefter skal de udvikle systematiske metoder til at indeslutte enzymerne, så de opretholder deres aktivitet.

»Vi kender hvert skridt frem mod målet, og jeg er meget optimistisk. Det skal nok lykkes os. Jeg ved, det er udfordrende, men hvis vi skal finde billige og rene energiteknologier i fremtiden, må vi blive ved, indtil det lykkes,« erklærer Jingdong Zhang.