Группа молодых ученых химического факультета МГУ разработала эффективные водород-кислородные топливные элементы для выработки электрической энергии из биоводорода, полученного из органических отходов. Вместо дорогой платины в качестве катализатора в топливном элементе для окисления водорода используются электроды с иммобилизованным ферментом гидрогеназой. Причем, по признанию мирового сообщества биохимиков, московским ученым удалось создать самые высокоактивные ферментные электроды в мире.

Напомним, что топливные элементы (ТЭ) — это преобразователи химической энергии окисления водорода в электричество. ТЭ содержат отрицательный и положительный электроды. Они соединены между собой ионным проводником, представляющим собой раствор электролита или ионопроводящую полимерную мембрану. Между электродами генерируется разность потенциалов, обеспечивающая электрический ток во внешней электрической цепи. Интерес к созданию топливных элементов как источников электрического тока определяется высокими характеристиками КПД (от 50 до 95%). Но, чтобы достичь такого КПД в ТЭ, для ускорения ионообменных процессов необходимы катализаторы.

По различным оценкам, к 2020 году до 30% всего производимого водорода будет иметь биологическое происхождение, рассказывает руководитель проекта Олег Воронин. Однако в случае биоводорода встает проблема его дальнейшего использования. Дело в том, что наиболее распространенные сегодня низкотемпературные топливные элементы используют в качестве катализаторов платину и металлы платиновой группы. Подобные ТЭ обладают целым рядом недостатков. Они требуют в качестве топлива водород сверхвысокой чистоты (не менее 99,9%), за считанные часы работы инактивируются всякими примесями (СО, соединения серы и т. д.), выделяемыми бактериями. К тому же вполне вероятно, что и без того недешевая платина в случае начала серийного производства ТЭ вырастет в цене многократно.

Наша же разработка, продолжает молодой ученый, относится к области биотехнологии и может быть использована для создания топливных элементов с катализаторами на основе ферментов. Создание подобных систем стало возможным благодаря открытому 30 лет назад в нашей стране явлению биоэлектрокатализа. Такие ферменты ― а это специфические белковые катализаторы ― присутствуют во всех живых клетках. Биохимические реакции, протекающие в любом организме и составляющие его обмен веществ, как раз и катализируются соответствующими ферментами. Но для работы ТЭ сначала надо активировать сами ферменты (например, особым образом имплантируя в органическую молекулу частицы железа), а затем правильно расположить на полимерной пленке электрода.

Полученные на химфаке МГУ «активированные» ферменты стабильны в присутствии всех групп соединений, выделяемых микроорганизмами, производящими водород, и в случае использования их в качестве катализатора можно использовать для получения электричества водород непосредственно в биореакторе вовсе без какой-либо очистки. Кроме того, в отличие от платины ферменты — возобновляемые катализаторы, получаемые при необходимости в неограниченном количестве из возобновляемого же сырья. При этом существуют традиционные методы получения ферментов в промышленном масштабе. Свойства ферментов-катализаторов (каталитическая активность, стабильность и др.) могут быть усовершенствованы методами генетической инженерии и белкового дизайна.