Ученые из американского Бингемтонского университета разработали аккумулятор, который функционирует благодаря витамину B2, то есть рибофлавину, и глюкозе.
Ища экологичные замены литий-ионным аккумуляторам, инженеры опирались на механизмы, по которым человеческий организм извлекает энергию из глюкозы с помощью ферментов. Специалисты ввели рибофлавин в экспериментальный образец аккумулятора с проточной системой, где витамин способствует перемещению электронов между электродами и глюкозным электролитом, тем самым формируя устойчивый электрохимический цикл энергии.
«Системы с проточными ячейками, использующие рибофлавин и глюкозу, позволяют получать электричество из натуральных материалов. Такая технология, основанная на безопасных, бюджетных и вездесущих компонентах, прокладывает путь к более надежному и доступному способу накопления энергии для домашнего использования», — отмечает ведущий специалист исследования Чон-Хва Шон.
Этот аккумулятор хранит энергию в двух электролитах, циркулирующих внутри устройства. Химическая энергия преобразуется в электрическую и обратно при перемещении электролитов между положительным и отрицательным электродами, что запускает химические процессы, высвобождающие или накапливающие мощность. Учитывая, что глюкоза широко встречается в растительном мире, этот сахар идеально подходит в качестве простого и экономичного электролита для подобных проточных батарей.
В существующих моделях топливных элементов на основе глюкозы приходится применять катализаторы из платины или золота, чтобы разбить молекулы сахара и освободить электроны, но такие материалы обходятся дорого и неудобны для широкого производства, что приводит к ограниченной мощности устройств.
В обновленной версии батареи разработчики заменили драгоценные металлы на рибофлавин, который сохраняет стабильность даже в средах с высоким pH, подходящих для глюкозных растворов. При конструировании использовались электроды из углерода: электролит возле отрицательного электрода включал глюкозу и активированный рибофлавин, а электролит возле положительного — либо ферицианид калия, либо кислород в щелочном растворе. Эксперты протестировали эти варианты, чтобы изучить, насколько эффективно витамин работает как катализатор и как долго он остается надежным.
Батарея с ферицианидом калия достигла уровня плотности мощности при обычной комнатной температуре, который сопоставим с показателями коммерческих проточных аккумуляторов на ванадии. В то же время, версия с кислородом продемонстрировала более медленные реакции, поскольку, по мнению ученых, кислород под влиянием света разлагает рибофлавин, провоцируя самопроизвольный разряд.
Тем не менее, прототип на основе кислорода выглядит более перспективным для промышленного внедрения благодаря своей экономичности и способности обеспечивать выше плотности энергии по сравнению с ранними глюкозными моделями. Ученые планируют устранить проблему светочувствительности, скорректировав, как витамин взаимодействует с электролитом, и усовершенствовав общую архитектуру проточной ячейки.
Работа опубликована в журнале ACS Energy Letters