Ultracienkie ogniwo paliwowe wykorzystuje cukier do wytwarzania energii

Glukoza to cukier wchłaniany z pożywienia i paliwo zasilające każdą komórkę ciała. Czy może również napędzać przyszłe implanty medyczne? Tak właśnie sądzą inżynierowie z MIT i Politechniki Monachijskiej. Opracowali oni nowy rodzaj ogniwa paliwowego z glukozą, który przekształca cukier bezpośrednio w energię elektryczną. Urządzenie jest mniejsze niż inne proponowane ogniwa paliwowe zasilane tym związkiem i ma zaledwie 400 nanometrów grubości, czyli około 1/100 średnicy ludzkiego włosa. Cukrowe źródło napędzające generuje około 43 mikrowatów energii elektrycznej na centymetr kwadratowy, osiągając najwyższą gęstość mocy ze wszystkich dotychczasowych rozwiązań tego rodzaju. Nowy sprzęt wytrzymuje, ponadto zakres cieplny do 600 stopni Celsjusza. Przy wbudowaniu do implantu medycznego ogniwo paliwowe mogłoby pozostać stabilne po procesie sterylizacji w wysokiej temperaturze wymaganej dla wszystkich urządzeń wszczepianych.

Serce nowego elementu jest wykonane z ceramiki. Tj. ze specjalnego materiału, który zachowuje właściwości elektrochemiczne. Także w wysokich temperaturach i w miniaturowych warstwach. Naukowcy przewidują, że koncept można zaadaptować do wykonywania ultracienkich folii lub powłok celem owijana wokół implantów, aby biernie napędzać elektronikę, wykorzystując obfite zasoby cukru w ciele. „Glukoza jest wszędzie w organizmie, a pomysł polega na tym, aby zebrać tę łatwo dostępną energię i zużytkować ją do zasilania wszczepialnych urządzeń” — wskazuje Philipp Simons opracowujący projekt w ramach swojego doktoratu. „W naszej pracy pokazujemy nową elektrochemię glukozowych ogniw paliwowych. [...] Zamiast używać baterii, która może rezerwować 90 procent objętości implantu, można zrobić sprzęt z cienką warstwą folii i mieć źródło zasilania niezajmujące całej przestrzeni” — oznajmia Jennifer L. M. Rupp.
Simons i jego współpracownicy szczegółowo opisują swój projekt w czasopiśmie: „Advanced Materials”. Współautorzy badania to Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel i Lorenz Olbrich.

„Trudna” separacja

Inspiracja dla nowego ogniwa paliwowego pojawiła się w 2016 roku, kiedy Rupp, która specjalizuje się w ceramice i urządzeniach elektrochemicznych poszła pod koniec ciąży na rutynowy test na poziom glukozy. „W gabinecie lekarskim byłam stosunkowo znudzona, zastanawiając się, co można zrobić z cukrem i elektrochemią” — wspomina. „Wtedy zdałam sobie sprawę, że dobrze byłoby mieć sprzęt półprzewodnikowy zasilany glukozą. Spotkałam się z Philippem przy kawie i na serwetce stworzyliśmy bazowe rysunki”. Zespół ten nie jest pierwszym, który wymyślił ogniwo paliwowe napędzane glukozą, ponieważ zostały one zaprezentowane w latach 60. XX wieku i wykazywały potencjał do przekształcania energii chemicznej w elektryczną. Jednak powyższa opcja w tamtym czasie była oparta na miękkich polimerach i szybko została przyćmiona przez baterie litowo-jodkowe, które stały się standardowym źródłem zasilania implantów medycznych, w szczególności rozrusznika serca. Jednak baterie mają swoje ograniczenia odnoszące się do wielkości, ponieważ ich konstrukcja wymaga fizycznej zdolności do przechowywania zasobów. „Ogniwa paliwowe przetwarzają energię bezpośrednio i nie kumulują jej w urządzeniu. Toteż nie potrzebujesz całej tej objętości, która jest konieczna do gromadzenia zasobów w baterii” — mówi Rupp.

W ostatnich latach naukowcy ponownie przyjrzeli się ogniwom paliwowym z glukozą jako potencjalnie mniejszym źródłom energii, zasilanym przez cukier z organizmu. Podstawowa konstrukcja takiego rozwiązania składa się z trzech warstw: górnej (anody), środkowego elektrolitu i dolnej (katody). Ta pierwsza reaguje z cukrem w płynach ustrojowych, przekształcając dany czynnik w kwas glukonowy. Ta konwersja elektrochemiczna uwalnia parę protonów i elektronów. Środkowy elektrolit oddziela te pierwsze od drugich, przewodząc protony przez ogniwo paliwowe, gdzie łączą się one z powietrzem, tworząc cząsteczki wody — nieszkodliwy produkt uboczny, który znika wraz z płynami ustrojowymi. Tymczasem wyizolowane elektrony przepływają do zewnętrznego obwodu, gdzie mogą być wykorzystane do zasilania urządzenia elektronicznego.

Zespół starał się ulepszyć istniejące materiały i projekty poprzez modyfikację warstwy elektrolitu, która często jest wykonana z polimerów. Jednak właściwości tych ostatnich, wraz z ich zdolnością do przewodzenia protonów, łatwo ulegają degradacji w wysokich temperaturach, są trudne do wykorzystania po zmniejszeniu wymiaru warstw do nanometrów, a także kłopotliwe w sterylizacji. Naukowcy zastanawiali się, czy ceramika — materiał żaroodporny, który w naturalny sposób może przewodzić protony — może zostać przerobiona na elektrolit. „Kiedy myślisz o ceramice do ogniwa paliwowego z glukozą... ma ona zalety w zakresie długoterminowej stabilności, niewielkiej skalowalności i integracji chipów krzemowych” — zauważa Rupp. „Są twarde i wytrzymałe” — podsumowuje.



Szczytowa moc

Naukowcy zaprojektowali glukozowe rozwiązanie z elektrolitem wykonanym z ceramiki cerowej, która ma wysoką przewodność jonową, jest odporna mechanicznie i powszechnie stosowana w wodorowych ogniwach paliwowych. Wykazano również biokompatybilność. „Materiał ceramiczny jest aktywnie testowany w środowisku badań nad rakiem” — zauważa Simons. „Jest również podobny do cyrkonu używanego w implantach zębów oraz biokompatybilny i bezpieczny”.

Zespół umieścił elektrolit z anodą i katodą wykonaną z platyny, stabilnego materiału, który łatwo reaguje z glukozą. Wyprodukowali 150 pojedynczych ogniw paliwowych z glukozy na chipie, każde o grubości około 400 nanometrów i szerokości 300 mikrometrów. Umieścili komórki na płytkach krzemowych, pokazując, że urządzenia można łączyć ze zwykłym materiałem półprzewodnikowym. Następnie zmierzyli prąd wytwarzany przez każdą komórkę, gdy przepuszczali roztwór glukozy przez dany wafel w specjalnie wykonanej stacji testowej. Odkryli, że wiele ogniw generuje napięcie szczytowe około 80 miliwoltów. Biorąc pod uwagę niewielki rozmiar każdego z nich, to napięcie wyjściowe jest najwyższą uzyskaną wartością pośród wszystkich istniejących ogniw paliwowych z glukozą. „Co ciekawe, jesteśmy w stanie pobierać moc i prąd wystarczające do zasilania urządzeń wszczepialnych” — podsumowuje Simons.

„Po raz pierwszy przewodzenie protonów w materiałach elektroceramicznych może być wykorzystane do przekształcenia glukozy w energię elektryczną, definiując nowy rodzaj elektrochemii” — mówi Rupp. „To rozszerza przypadki użycia tworzyw z wodorowych ogniw paliwowych do nowych, ekscytujących trybów konwersji cukru”. Naukowcy: „otworzyli drogę do miniaturowych źródeł zasilania dla wszczepionych czujników i być może innych funkcji” — wskazuje Truls Norby, profesor chemii na Uniwersytecie w Oslo w Norwegii, który nie jest związany z tym projektem. „Zastosowana ceramika jest nietoksyczna, tania i obojętna zarówno na warunki w ciele, jak i sterylizacji przed implantacją. Dotychczasowa koncepcja i demonstracje są rzeczywiście obiecujące” — podsumowuje.

Źródło: https://techxplore.com/news/2022-05-ultrathin-fuel-cell-body-sugar.html

Technologia znana od lat, wykorzystywana w glukometrach.