Математическое моделирование и оптимизация процессов, протекающих в биотопливном элементе

В соответствии с указом Президента Российской Федерации от 07.07.2011 № 899 технологии новых и возобновляемых источников энергии входят в перечень критических технологий Российской Федерации. Одним из направлений современной альтернативной энергетики являются биотопливные элементы (БТЭ) – устройства по преобразованию химической энергии топлива в электрическую с использованием катализаторов биологической природы (ферментов, микробов и др.). Основной областью применения БТЭ является возможность их использования в качестве источника питания, в том числе для имплантируемых устройств (например, кардиостимулятора, искусственной почки и др.). Также на основе БТЭ разрабатываются биосенсоры на широкий круг субстратов для целей медицинской и экологической областей. Для содействия более глубокому пониманию основных закономерностей функционирования подобных систем и расширения потенциала их практического применения требуется формулировка математического аппарата, способного предсказывать параметры, от которых зависят выходные характеристики БТЭ. Перспективной представляется конструкция БТЭ без мембраны и без медиатора, в которой участники и продукты электродных реакций являются возобновляемыми и экологически чистыми. В качестве субстратов выбраны глюкоза и кислород как наиболее доступные, широко распространенные и экологически чистые вещества. В качестве катализатора для катода выбрали лакказу - активный и стабильный фермент, ускоряющий реакцию электровосстановления кислорода до воды. В качестве катализатора на аноде использовали модифицированную золотом сажу, на котором глюкоза окисляется в условиях, благоприятных для функционирования катода на основе лакказы. Разработаны эффективные каталитическое системы и создан биотопливный элемент глюкоза-кислород на их основе без использования мембраны и медиатора. Впервые на основе математического аппарата дробного дифференцирования разработаны математические модели: 1) иммобилизации фермента с учетом пористой структуры углеродного носителя; 2) прямого биоэлектро-каталитического восстановления кислорода лакказой; 3) электроокисления глюкозы с учетом изменения числа активных центров катализатора, которые позволили установить основные закономерности протекания физико-химических процессов в исследуемых системах, провести оптимизацию количества углеродного материала на электродах и глюкозы в питающем растворе.