Ein Prototyp einer Glukosebatterie, inspiriert vom Stoffwechsel des Körpers

Forscher, die in ACS Energy Letters berichten, haben eine Batterie entwickelt, die mit Vitamin B2 (Riboflavin) und Glukose betrieben wird. Inspiriert davon, wie der menschliche Körper Glukose mithilfe von Enzymen zur Energiegewinnung abbaut, hat das Team Riboflavin in einen Prototypen einer Durchflusszellenbatterie integriert. Der Riboflavin-Mediator half dabei, Elektronen zwischen den Elektroden der Batterie und dem Glukoseelektrolyten zu transportieren, wodurch ein elektrochemischer Fluss aus der im Zucker gespeicherten Energie erzeugt wurde.

„Riboflavin- und Glukose-Durchflusszellen können Strom aus natürlichen Energiequellen erzeugen“, sagt Jong-Hwa Shon, der Hauptautor der Studie. ​„Durch die Verwendung ungiftiger Komponenten, die sowohl kostengünstig als auch in der Natur reichlich vorhanden sind, bietet dieses System einen vielversprechenden Weg zu einer sichereren und erschwinglicheren Energiespeicherung für Privathaushalte.“

Eine Durchflusszellenbatterie speichert elektrochemische Energie in zwei Elektrolyten, die durch das System fließen. Wenn Reaktionen im Elektrolyten und an den Elektroden stattfinden, wird die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und umgekehrt. Und da die meisten Pflanzen Glukose enthalten, hat dieser Zucker das Potenzial, als Energiequelle in einer Durchflusszellenbatterie ein reichlich vorhandener und kostengünstiger Elektrolyt zu sein.

Aktuelle Prototypen von Glukose-Brennstoffzellen benötigen Edelmetallkatalysatoren, um die Zuckermoleküle zur Stromerzeugung aufzuspalten, aber diese Modelle produzieren nur wenig Strom und lassen sich nur schwer für den industriellen Einsatz skalieren. Riboflavin hat sich in anderen Arten von Flussbatterien als Alternative zu Metallkatalysatoren als vielversprechend erwiesen, da das Vitamin bei dem für Elektrolyte in Glukose-Flusszellen erforderlichen basischen pH-Wert stabil ist. Daher wollten Shon, Ruozhu Feng, Wei Wang und ihre Kollegen eine Glukose-Brennstoffzelle mit Riboflavin als Katalysator entwickeln.

Für die Batterie verwendete das Team ein Kohlenstoffmaterial, um die positiven und negativen Elektroden zu bilden. Der um die negative Elektrode fließende Elektrolyt enthielt eine aktive Form von Riboflavin und Glukose, während der Elektrolyt an der positiven Elektrode Kaliumferricyanid oder Sauerstoff (wie in herkömmlichen Brennstoffzellen verwendet) in einer Lösung mit basischem pH-Wert enthielt. Obwohl die Zelle mit Kaliumferricyanid es dem Team ermöglichte, die katalytische Aktivität von Riboflavin genau zu messen, ist die Zelle mit Sauerstoff eine kostengünstigere Option für den großtechnischen, praktischen Einsatz.

Bei einer Demonstration mit der Durchflusszelle mit Kaliumferricyanid beobachtete das Team Elektronen, die sich durch die Zelle bewegten, und eine Leistungsdichte bei Raumtemperatur, die mit der von bestehenden Durchflusszellenbatterien mit Vanadiummetall vergleichbar war. Im Gegensatz dazu zeigte die Durchflusszelle mit Sauerstoff langsamere Reaktionen an den Elektroden als das Kaliumferricyanid-Design. Die Forscher sagen, dass dies wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass Sauerstoff Riboflavin in Gegenwart von Licht abbaut, was zu einer Selbstentladung der Batterie führen würde. Dennoch zeigte die Sauerstoffversion im Vergleich zu früheren Berichten eine verbesserte Leistungsdichte. Die Forscher planen, die Leistungsdichte der Glukose-Durchflusszelle mit Sauerstoff zu verbessern, indem sie Lichtreaktionen mit Riboflavin verhindern und die Zelltechnik verfeinern.

Die Autoren danken der Energy Storage Research Alliance (Experiment, Verfassen und Überarbeitung des Manuskripts), einem vom US-Energieministerium, Office of Science, Basic Energy Sciences, finanzierten Energieinnovationszentrum, sowie der Energy Storage Materials Initiative (Konzeption und erste Experimente) am Pacific Northwest National Laboratory, einem vom Labor geleiteten Forschungs- und Entwicklungsprojekt, für die finanzielle Unterstützung.

Die wissenschaftliche Veröffentlichung finden Sie hier.

_{(Übersetzt mit der kostenlosen Version von DeepL​.com)}