 С уменьшением источников ископаемого топлива, биотопливные элементы являются сильными кандидатами в энергетической сфере. Ученые из Лос-Аламоса синтезировали и охарактеризованы новые ДНК-шаблонный нанокластер золота (AuNC), которые мои бы пробить методологический барьер для эффективного проектирования биотопливных элементов.
«Ферментные топливные элементы и наноматериалы проявляют большой потенциал. Они могут работать в экологически доброкачественных нейтральных условиях рН, являются более экологичной альтернативе существующим щелочным или кислотным топливным элементам, что делает их предметом научно-исследовательской деятельности по всему миру. Работа исследователей направлена на повышение эффективности переноса электронов, создавая потенциальный кандидат для разработки катодов в ферментативных топливных элементах.
Лиганды, молекулы, которые связываются с центральным атомом металла, являются необходимыми для образования стабильных нанокластеров. Для этого исследования, исследователи выбрали одноцепочечный ДНК в качестве лиганда, так как ДНК является естественным наноразмерным материалом, имеющим высокое сродство к катионам металлов, и может быть использован для сборки кластера в другом наноразмерном материале, таком, как углеродные нанотрубки.
В ферментативных топливных элементах, топливо окисляется на аноде, а восстановительные реакции кислорода проводятся на катоде, часто с использованием медных оксидазов. Ферментативная производительность топливных элементов критически зависит от того, насколько эффективно ферментные активные участки могут принимать и отдавать электроны от электрода посредством прямого переноса электрона. Тем не менее, отсутствие эффективного переноса электрона между ферментными активными областями и электродом является основным препятствием для их развития. Таким образом, необходимы эффективные медиаторы этого переноса электронов.
Исследователи разработали новый ДНК-шаблонный нанокластер золота (AuNC), который улучшает передачу электронов. Этот новый нанокластер, усиливающий перенос электронов на границе раздела электрод-фермент, может быть эффективным для катодов в ферментативных топливных элементах, тем самым устраняя критический методологический барьер для эффективного проектирования биотопливных элементов.
Обладая многими уникальными свойствами благодаря их дискретным распределениям электронов, металлические нанокластеры имеют возможности применения во многих областях.
За счет ультрамалого размера и уникальных электрохимических свойств, AuNC гипотетически может облегчить перенос электронов в ферментативной реакции и, следовательно, снизить перенапряжение реакции кислорода. Перенапряжение представляет собой дополнительное количество энергии, необходимое для возбуждения электрохимической реакции.
В идеале, желательно, чтобы все электрохимические реакции имеют минимальное перенапряжение, но в действительности все они имеют некоторый показатель перенапряжения. Поэтому, чтобы разработать эффективную электрокатализатор (для восстановления или окисления), желательно разработать его таким образом, чтобы реакция могла протекать с минимальным количеством дополнительной приложенной энергии.
При самосборке с билирубиновыми оксидазами и углеродных нанотрубками, AuNC улучшает перенос электронов, и снижает перенапряжение восстановления кислорода. AuNC также вызывает значительное повышение электрокаталитических плотностей ток. Белки являются электронно изолирующими, так что использование углеродных нанотрубок способствует тому, что фермент прилипает к электроду, а также облегчает перенос электронов.
Несмотря на то, что нанокластеры золота применялись в химическом катализе, это первый случай демонстрации того, что они также могут выступать в качестве агентов ретрансляции электронов в ферментативной реакции восстановления кислорода, контролируемой электрохимией.
|
