En el area de Energía se investigan Microceldas de Combustible en colaboración con el Dr. Horacio Corti de la CNEA - DQIAyQF Las microceldas de combustible de metanol directo están llamada a ser los sustitutos naturales de las baterías recargables (Ni-Cd, Li-ion, Ni-hidruro metálico, etc.). La densidad de energía de las celdas PEM de metanol directo (alrededor de 5000 Wh/dm3) es al menos 10 veces superior al de las baterías recargables de Li-ión [1] y la recarga se puede realizar en forma prácticamente instantánea con el simple agregado de metanol en solución acuosa. Si a estos hechos le agregamos que estas fuentes de energía tienen una vida útil igual o más prolongada que el equipo al cual alimentan, con la consiguiente disminución de contaminación ambiental, es evidente el impacto que tendrá esta tecnología cuando haga su aparición en los próximos años. Proyecto PICT 06-13917 ANPCyT: Microceldas de combustible para oxidación directa de metanol

Horacio Corti (Unidad de Actividad Química – CAC- CNEA) Ernesto Calvo (INQUIMAE- FCEN – UBA)

1

OBJETIVOS GENERALES El principal objetivo de este proyecto es la generación del conocimiento básico para desarrollar microceldas de combustible en la región de 10-4 W a 100 W que puedan operar con metanol en solución acuosa como combustible anódico. Se estudian dos tipos de catalizadores para la electrooxidación de metanol: 1.Electrodos bimetálicos de Pt-Ru para celdas de membrana intercambiadora de pro- tones de metanol directo (DMPEM). 2. Electrodos enzimáticos para biomicroceldas de combustible. La propuesta comprende además la construcción de prototipos a nivel de laboratorio que para este ámbito de potencia son equivalentes a sistemas precomerciales. Las aplicaciones de estas celdas son diversas. Para el caso de las bioceldas alimentadas con metanol en solución acuosa las potencias buscadas son del orden de los mW o menores, potencia suficiente para aplicaciones biomédicas, por ejemplo para alimentar pequeños biosensores o microchips. En el caso de celdas PEM alimentadas con metanol, las potencias pueden ser del orden de los W y las aplicaciones son básicamente las mismas que las que tienen las actuales baterías recargables, es decir, alimentación de teléfonos celulares, labtops, etc. La razón para este estudio es que estos dispositivos permiten la microgeneración de energía por métodos ambientalmente benignos y como estas celdas de combustible son de desarrollo muy reciente, la brecha tecnológica con grupos de investigación y desarrollo de países desarrollados no es muy grande. Es entonces factible, con el nivel de conocimientos fisicoquímicos básicos de los dos grupos participantes, lograr en un plazo de tres años el desarrollo de prototipos que puedan optimizarse hasta llegar en un tiempo razonable a dispositivos precomerciales. La ingeniería de estas celdas es una ingeniería de microescala y tiene varios puntos en común con los dispositivos MEMs de desarrollo incipiente en Argentina. Por otra parte los materiales críticos que se utilizarán en la construcción de estas celdas son en su gran mayoría materiales nanoparticulados y por lo tanto este proyecto hará un aporte importante al desarrollo de la ciencia de materiales. OBJETIVOS ESPECÍFICOS E HIPÓTESIS DE TRABAJO. Los objetivos específicos del proyecto son los siguientes: 1) Desarrollar catalizadores nanoparticulados sobre soportes adecuados para la electro-oxidación eficiente de metanol a temperaturas lo más cercanas posible a la ambiente. 2) Desarrollar y caracterizar membranas simples, nano y microcompuestas de buena conductividad eléctrica y baja permeabilidad al metanol. 3) Construir microceldas de combustible de metanol directo y determinar los parámetros óptimos de operación para usos en dispositivos portátiles.

2

4) Desarrollar electrodos enzimáticos para la oxidación de metanol empleando enzimas redox inmovilizadas sobre superficies de electrodos, cofactores y mediadores redox, estudiando la cinética de oxidación de metanol y la estabilidad de los electrodos. 5) Construir micro bioceldas de combustible alimentadas con metanol (y eventualmente etanol) y comparar su comportamiento con la oxidación de metanol con catalizadores de Pt-Ru. En particular se estudiará el potencial máximo y la densidad de potencia disponible en estas bioceldas. 6) Un objetivo a más largo plazo es el reemplazo de las enzimas por catalizadores biomi-méticos, obtenidos a partir del conocimiento de los mecanismos enzimáticos, que presenten mayor estabilidad de largo plazo y actividad comparable a los sistemas biológicos. En INQUIMAE se llevan a cabo estudios de bioceldas de combustibles basadas en electrodos enzimáticos amperométricos para oxidacion directa de alcoholes y cátodos de oxígeno. BIOCELDAS DE COMBUSTIBLE La celda de combustible no biológica más pequeña es una celda de metanol/ oxígeno en un chip de 1 mm2 que produce 17 µW / mm2 a 70°C y a 0.6 V [15]. La energía libre de la reacción:

CH3OH +3/2 O2 → CO2 + 2H2O predice una diferencia de potencial de celda potencial máxima de 1.19 V comparada con 1.23 para la celda H2 / O2 con Eo ´(CH3OH/CO2) = -0.64 V. Se han informado diversas bioceldas de combustible [16]:

i. Bioceldas con microbios que producen hidrógeno para alimentar celdas de combustible convencionales.

ii. Bioceldas microbianas integradas que producen especies electroactivas. iii. Bioceldas microbianas que funcionan en presencia de mediadores o relés

redox ratifícales. iv. Bioceldas enzimáticas

a. ánodos con oxidación bioelectrocatalizada de NAD(P)+ b. electrodos modificados con flavoenzimas o quinoproteínas para oxidar

glucosa. c. Cátodos bioelectrocatalíticos para la reducción de peróxido u oxígeno.

Karube, Suzuki et al. desarrollaron una celda de combustible basado en un organismo entero, una bacteria que generaba hidrógeno o metano como Clostridium butyricum y el gas formado alimentaba una celda de combustible de ácido fosfórico [17,18]. Recientemente Chaudhuri y Lovley [19] reportaron la generación eléctrica por oxidación directa de glucosa en bioceldas de combustible sin mediador redox. Utilizaron bacterias Rhodoferax ferrireducens para oxidar glucosa a CO2 y transferir

3

cuantitativamente electrones a un electrodo de grafito sin necesidad de un mediador redox. En el cátodo se reduce Fe(III) a Fe(II) con la reacción global:

C6 H12 O6 + 6 H2 O + 24 Fe(III) → 6 CO2 + 24 Fe(II) + 24 H+

En las bio-celdas de combustible alternativas que utilizan enzimas se electro-oxida metanol o glucosa en una reacción catalizada por una dehidrogenasa o una oxidasa, y el oxígeno se reduce electroquímicamente en cátodo de platino. Yahiro, Lee and Kimble informaron sobre la primera biocelda que emplea glucosa y oxígeno [20]. Turner, Higgins, Hill y sus colaboradores construyeron una serie de bioceldas de dos compartimentos, en las cuales el transporte de electrones era mediado por cuplas redox de las oxidasas y las dehidrogenasas a los ánodos [21,22]. La habilidad de un electrodo recubierto de hidrogenasa de oxidar eficientemente hidrógeno sugiere excitantes posibilidades de usar ese electrodo en una biocelda de combustible, en la cual los ánodos convencionales de platino se reemplazan por un electrodo modificado con hidrogenasa. Estos electrodos se acoplan a cátodos modificados con la enzima de hongos lacasa que cataliza la reducción de oxígeno para formar agua. Esta biocelda produce una potencia pequeña pero medible. Consiguieron con una celda de metanol/ oxígeno (Pt) alcanzar una densidad de potencia de 0.2 µW mm-2 a 0.3V y a pH 9.5 y 20°C.

Whitesides y sus colaboradores incrementaron la densidad de potencia de una bioceldad de metanol/ oxígeno (Pt) a 6.7 µW mm-2 a 0.49 V [23]. En estas celdas el ánodo y el cátodo se encontraban en compartimentos separados por una membrana ionófora de intercambio iónico. En ausencia de membrana, el metanol y la glucosa difunden al cátodo donde se oxidan a productos que envenenan el catalizador de platino. También se requiere separar los compartimentos anódico y catódico cuando se utilizan mediadores redox solubles, que transportan electrones entre las dehidrogenasas u oxidasas y el ánodo. En ausencia de una membrana el mediador reducido por la enzima sería oxidado a mayores potenciales en el cátodo, no en el ánodo, y la celda se cortocircuita electro-químicamente. Las membranas de intercambio iónico son difíciles de miniaturizar y aún más difícil de sellar, las bioceldas basadas en enzimas no se han miniaturizado. Heller [24] introdujo cátodos basados en la enzima lacasa en lugar de platino como electro-catalizador. Sin embargo esta biocelda no puede ser operada en soluciones buffer de pH fisiológico sino a pH 5 y en ausencia de cloruro donde muestran buena actividad. Se produce una inhibición total en 0.14 M NaCl y a pH 7.2. Persson y colaboradores introdujeron una biocelda de combustible sin compartimento [25] que electrocataliza la oxidación de glucosa sobre un ánodo de carbón sobre el cual se quimiosorbe un mediador redox y glucosa dehidrogenasa entrecruzada. La primer biocelda de glucosa y oxígeno sin separación en compartimentos fue reportada por Katz y colaboradores [26]. La celda estaba construida con electrodos de oro porosos de 0.8 cm2 operando en una solución de buffer fisiológico, pero producía sólo 0.35 µW mm-2 a sólo 0.06 V. Chen y colaboradores informaron sobre una biocelda de combustible [27] miniatura sin separación en compartimentos basada en glucosa oxidasa y lacasa “cableadas” en electrodos de fibra de carbono de 7 µm de diámetro y 2 cm de longitud. Debido al uso de lacasa, la celda funcionaba en una solución libre de cloruro de pH 5 en buffer citrato [28]. A 0.38 V de salida, la celda entrega 0.6 µW a 37°C.

4

Los electrodos enzimáticos con enzimas “cableadas” funcionan en forma continua en ambientes biológicos donde los catalizadores metálicos como el platino se envenenan rápidamente. El transporte de electrones a través de los electrocatalizadores enzimáticos cableados depende de encuentros colisionales de centros redox adyacentes unidos al polímero entrecruzado o autoensamblado. Cuando las cadenas segmentales son móviles la conducción es la adecuada, pero el gel que conecta a la enzima es blando. Es importante tener en cuenta que el mediador redox o cable molecular debe trabajar a un potencial de electrodo lo más cercano posible al potencial redox del grupo prostético (FAD/FADH2 ó NAD(P)+/ NAD)P)H) ya que tensidad de potencia disponible (que depende de la densidad de corriente –cinética- y el potencial máximo que la celda puede dar). En la tabla se comparan los valores de potencial redox de diferentes mediadores redox basados en osmio bipiridina: Tabla de potenciales redox de diferentes mediadores de osmio Cupla redox Potencial redox formal Poly(4-vinylpyridine) bis(2,2’-bipyridine) +270mV vs. SCE Poly(1-vinylimidazole) osmium bis(4,4’-dimethylbipyridine) +95mV vs. SCE bis(4,4’-dimethoxy-bipyridine) +44mV vs. SCE 4,4’-bis-(dimethylamino)-2-2’-bipyridine –260mV vs. Ag/AgCl 4,4’-bis-(diethylamino)-2-2’-bipyridine –240mV vs. Ag/AgCl

Haciendo uso de sustituyentes en la bipiridinas, Mano y Heller consiguieron oxidar glucosa en aire a 0.52 V [29,30].

Katz y Willner [31] muy recientemente han introducido el concepto de una biocelda de combustible de glucosa y oxígeno autosintonizada mediante el crecimiento y disolución de un cable de cobre coordinado a poliacrilato. Mediante este ingenioso procedimiento, los autores postulan una celda cuya potencia de salida puede ajustarse oxidando y reduciendo iones Cu2* a cobre metálico que conecta los sitios redox de las enzimas a través de mediadores redox que intercambian electrones con los nanocables de cobre metálico.

En una celda de combustible de hidrógeno, la electricidad de genera eficientemente a partir de la oxidación de hidrógeno, acoplada a la reducción de oxígeno produciendo sólo agua con catalizadores de metales preciosos como el platino. Un electrodo recubierto de la enzima hidrogenasa puede oxidar eficientemente hidrógeno en una biocelda de combustible donde el ánodo convencional de platino se reemplaza por un electrodo modificado con hidrogenasa como lo demostró recientemente el grupo del profesor Frazer Armstrong en Oxford [32,33]. Estos electrodos pueden acoplarse a cátodos modificados con la enzima de hongos lacasa que cataliza la reducción de oxígeno por cuatro electrones para formar agua produciendo una densidad de potencia pequeña pero medible.

La metano monooxigenasa (MMOs) cataliza la oxidación selectiva de metano a metanol [34]:

OHNADOHCHOHNADHCH 2324 ++→+++ ++

Esta reacción es esencial como primer paso en el camino metabólico de las bacterias metano-tróficas para consumir metano como su única fuente de carbono y de energía.

5

Metano monooxigenasa

Metanol dehidrogenasa

Formaldehido dehidrogenasa

NADH NAD+ +H2O NAD + NADH NAD+ NADH

HCOOH CO2H2CO CH3OH CH4 + O2

Formiato dehidrogenasa

Las bacterias metanotróficas habitan el límite entre ambientes aeróbicos y anaeróbicos, donde ambos metano y oxígeno están disponibles. El metano se produce por medio de las bacterias metanogénicas, que reducen CO2 a CH4 en varios ambientes anaeróbicos tales como océanos, lagos y pantanos. Los organismos metanotróficos juegan un papel esencial en el ciclo global del carbono limitando la cantidad de metano, un gas de efecto invernadero más potente que el dióxido de carbono.

La MMO soluble tiene un centro binuclear de hierro puenteado por µ-oxo y carboxilatos donde se activa la reducción de oxígeno y la hidroxilación de metano. Una proteína con sulfuro de hierro y una flavoproteína transporta los electrones del NADH a través de los cofactores FAD y [2Fe2S] al sitio activo de hidroxilación.

Es interesante el conocimiento del sitio activo y el mecanismo de funcionamiento de la monometano oxidasa (MMO) ya que Lippard y Wieghard [35] sintetizaron y estudiaron complejos binucleares de hierro µ-oxo y µ-carboxilato con ligandos nitrogenados tridentados que biomimetizan al sito activo de la MMO. Estos complejos en polímeros autoensamblados como el poliacrilato (con exceso de carboxilatos) podrían constituir catalizadores biomiméticos para la activación de metano y su oxidación a metanol y posterior oxidación del alcohol a CO2. Se han informado varias bioceldas de combustible de oxidación biocatalizada de metanol: Yahiro y colaboradores [36] usaron la enzima metanol dehidrogenasa para oxidar metanol y formaldehido usando ethosulfato de fenazina (Eo´= 0.055 V (vs. ECS) a pH 7.0) ó monosulfato de fenazina (Eo´= 0.080 V (vs. ECS) a pH 7.0) como mediador redox artificial, obteniendo 3.7 mA con una carga de 10 Ω produciendo una densidad de potencia de 19 µW cm-2 y un potencial a circuito abierto de 0.3 V. Gorton y su equipo [37] utilizó dehidrogenasa de alcohol unida con PQQ para oxidar metanol con N,N,N´,N´-tetrametil-4-fenilendiamina (TMPD) como mediador redox (Eo´= 0.12 V (vs. ECS) a pH 10.5) con un potencial de celda a circuito abierto de 0.16 V, una densidad de corriente de 20 µA cm-2 con una carga de 10 Ω, produciendo 28 nW cm-2. Finalmente Laane et. al. [38] utilizaron dehidrogenasas de metanol y formato respectivamente para oxidar metanol usando metosulfato de fenazina (PMS) o PES como mediador con 0.9 mA cm-2 para una carga de 10 Ω y 0.065 V calculando una densidad de potencia de 1.5 µW cm-2. Whitesides y sus colaboradores [23] introdujeron una biocelda de combustible de oxidación directa de metanol basada en la oxidación enzimática de metanol a CO2 y agua catalizada por tres enzimas dehidrogenasas en solución en presencia de NAD+ regenerado a su vez por la enzima diaforasa que es redoxidada por bencilviológeno el que se oxida electroquímicamente en el ánodo, según el siguiente esquema:

6

donde ADH es alcohol dehidrogenasa (E.C.1.1.1.1), AldDH aldehido dehidrogenasa (E.C.1.2.1.5) y FDH es formato dehidrogenasa (E.C.1.2.1.2), y Diaforasa (E.C.1.6.4.3). En INQUIMAE se estudia el desarrollo de ánodos para la oxidación eficiente de β-NADH mediante la modificación biomimética de electrodos de oro con flavinas, que son los cofactores en la enzimas que oxidan eficientemente a este cofactor enzimático necesario para el funcionamiento de las dehidrogenasas (ver esquema mas arriba).

NADH

2 e-

NAD+

NADHNADH

2 e-

NAD+

2 e-2 e-2 e-

NAD+

7

β-NADH FAD Electrodos modificados con flavina en INQUIMAE: (biomimetics with self-assembled monolayer of catalytically active tethered isoalloxazine on Au, Ernesto J. Calvo, M. Silvina Rothacher, Cecilia Bonnazzola, Ian R. Wheeldon, Roberto C. Salvarezza, Maria Elena Vela, Guillermo Benitez, Langmuir, 21, (2005), 7907-7910.

N

N

HN

NO

O

S

(CH2)2

NH3+ Cl-

S

(CH2)2

NH

(CH2)2

S

(CH2)2

NH3+ Cl-

N

N

HN

NO

O

S

(CH2)2

NH3+ Cl-

S

(CH2)2

NH

(CH2)2

Au

S

(CH2)2

NH3+ Cl-

[NADH] / mM 0 1 2 3 4 5 6 7

i cat

/ nA

cm-2

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

E / V-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0

i cat

/ nA

cm-2

0100200300400500600

NAD Fl-S NADHFl-S redk

ox2

1

1

+⎯→⎯⎯⎯⎯← +⎯→⎯−+−−

k

koxFlSNADHβ

8

En INQUIMAE también se estudian como parte de este proyecto cátodos de oxígeno basados en la enzima lacasa que reduce oxigeno por cuatro electrones oxidando un mediador redox de osmio:

Os3+

0,78 V

Os2+

lacasa (ox) O2

Electrodo (cátodo)

0,94 V 0,82 V

H2O lacasa (red)

9