Проведение фундаментальных научных исследований в области создания и моделирования биотопливных безмедиаторных элементов

Объектом исследования и разработки НИР в целом являются: микробиологические токопроводящие сообщества на основе гранулированного аэробного ила, анодные и катодные катализаторы на различных носителях (сажи, углеродные нанотрубки, терморасширенный графит), не содержащие благородных металлов, электрокатализаторы биологической природы; электрохимические топливные ячейки на основе разработанных электрокатализаторов. Цель НИР: – синтез новых каталитических материалов для электродов топливных элементов, не содержащих драгоценных металлов и редкоземельных рассеянных элементов, или электрокатализаторов биологической природы на основе ферментов или микроорганизмов, обеспечение высокоэффективного окисления глюкозы и восстановления кислорода; – создание лабораторного прототипа низкотемпературного безмембранного топливного элемента на основе синтезированных катализаторов с использованием углеводородного топлива (глюкозы) и окислителя (кислород); – создание программного обеспечения для безмедиаторных био-, микробных топливных элементов для моделирования процессов, протекающих в них с учетом раскрытия физико-химической сущности явлений. В результате проведения НИР были получены следующие результаты: – проведен аналитический обзор информационных источников; – проведены патентные исследования; – разработан новый анодный катализатор на основе бактериального и грибного сообщества гранулированного аэробного активного ила, обеспечивающего повышенную активность и стабильность в мягких условиях при использовании в качестве топлива глюкозы; – синтезирован биокатод на основе лакказы; – синтезирован катодный катализатор, не содержащий благородных металлов, на основе железа и кобальта; – разработан прототип конструкции биотопливного элемента; – проведены исследования в биотопливном элементе; – разработана математическая модель био- (микробного) топливного элемента с учетом механизма прямого переноса электронов (для безмедиаторных систем); – разработан и отлажен программный модуль для расчета явлений, протекающих в био- (микробном) топливном элементе; – на основе математического моделирования определены кинетические параметры процесса окисления глюкозы; – проведены расчеты по разработанным математическим моделям, проведено сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными; – проведена оптимизация выходных характеристик биотопливного элемента с анодом на основе микробиологического сообщества; – получено свидетельство о регистрации программы ЭВМ. Проведенный анализ литературных источников показал, что, несмотря на прогресс в области биотопливных элементов (БТЭ), рентабельные модульные конструкции, которые можно безопасно применять (и которые являются экологически чистыми) все еще не реализованы. Одним из перспективным применением микробных топливных элементов (МТЭ) в ближайшем будущем являются одновременная очистка сточных вод (бытовые и промышленные) и производство электроэнергии. Важным аспектом развития БТЭ И МТЭ является иммобилизация фермента / микроорганизмов на электроде. Поддержание непрерывной подачи топлива в активные центры и обеспечение эффективного процесса переноса электронов от фермента / бактерии к электроду имеют решающее значение. Разработка новых методов иммобилизации, в том числе на подложках из наноструктур, может обеспечить значительное улучшение, как производительности, так и стабильности. Эти методы должны быть практичными и экономически эффективными. Самыми распространенными материалами для электрокатализаторов ТЭ по-прежнему являются металлы платиновой группы. Анализ проведенных патентных исследований показывает, что в настоящее время исследовательские работы направлены на разработку топливных элементов нового поколения, отличающиеся высокими характеристиками и ресурсом работы. Для достижения приемлемых электрохимических характеристик разрабатываемых устройств многие исследователи применяют медиаторы, а в подавляющем большинстве конструкций присутствует разделительная мембрана. Использование медиаторов в качестве переносчиков электронов увеличивает степень токсичности устройства, а использование разделительной мембраны в разы усложняет процесс миниатюризации устройства, что ставит под сомнение возможность его имплантации в живой организм. На основе гранулированного аэробного активного ила (ГААИ) выделено азотфиксирующее сообщество (биологический материал), состоящее из Agrobacterium tumefaciens, Bacillus amyloliquefaciens, Microbacterium oxydans. Микробиологическое сообщество устойчиво к перепадам нагрузки, голоду, стрессу, кислородному лимитированию и способно включать в свой состав токопроводящие компоненты. Разработана ячейка для проведения процесса биоэлектрокатализа. Преимуществами разработанной ячейки перед коммерческой ячейкой ElectroChem с точки зрения условий функционирования БТЭ являются снижение вероятности контакта анода с катодом, отсутствие необходимости постоянной прокачки электролита через систему, как следствие, уменьшение затопления катода и повышение глубины окисления глюкозы за счет более длительного нахождения ее молекул в объеме анодного активного слоя (АС). Наиболее эффективным подходом к формированию анода на основе биологического материала (БМ) является предварительная иммобилизация БМ на углеродном материале (УМ) (углеродные нанотрубки (УНТ) или вспененный терморасширенный графит) с последующим нанесением смеси УМ и БМ на газодиффузионный слой (ГДС). При использовании анода структуры УНТ+биоматериал максимальная плотность мощности БТЭ с биметаллическим катодом CoFe достигает 2 мкВт/см2. Лучшие результаты, полученные при испытаниях ТЭ с биоанодом на основе микробиологического сообщества и биокатодом на основе лакказы, соответствуют 2.75 мкВт/см2 в электролите с pH 8 при концентрации глюкозы 0.5 М. Эти результаты соответствуют и даже превосходят данные мировой практики, полученные при разработке БТЭ с биоэлектродами. Разработана математическая модель, описывающая явления биоэлектрокатализа, протекающие на пористых электродах микробного топливного элемента с биоанодом и катодом на основе биметаллического катализатора, не содержащего благородные металлы. Модель содержит уравнения ферментативной и электрохимической кинетики, материальный баланс и баланс заряда. Уравнения изменения концентрации компонентов учитывают диффузию, электромиграцию (для протонов), а также образование/расход компонента в результате реакций. Диффузия компонентов в активном слое описывается с помощью уравнения с дробной производной по времени. В результате моделирования получено распределение концентрации компонентов во времени и по толщине активного слоя. Модель позволяет определить выходные значения тока, разрядные характеристики МТЭ и проводить оптимизацию процесса. Данная исследовательская работа служит основанием для проведения дальнейших работ, связанных с использованием разработанного био- (микробного) топливного элемента для создания промышленного реактора для очистки сточных вод широкого класса (на основе использования активного аэробного ила в качестве биокатализатора анода) с одновременным накопителем энергии, при использовании накопленной энергии для ресурсосбережения технологической схемы очистки сточных вод.