FI119489B - Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno - Google Patents

Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno Download PDF

Info

Publication number
FI119489B
FI119489B FI20065423A FI20065423A FI119489B FI 119489 B FI119489 B FI 119489B FI 20065423 A FI20065423 A FI 20065423A FI 20065423 A FI20065423 A FI 20065423A FI 119489 B FI119489 B FI 119489B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
electrochemical cell
cathode
cell according
anode
paste
Prior art date
Application number
FI20065423A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20065423A (fi
FI20065423A0 (fi
Inventor
Aarne Halme
Xiachang Zhang
Original Assignee
Teknillinen Korkeakoulu
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teknillinen Korkeakoulu filed Critical Teknillinen Korkeakoulu
Priority to FI20065423A priority Critical patent/FI119489B/fi
Publication of FI20065423A0 publication Critical patent/FI20065423A0/fi
Priority to PCT/FI2007/050368 priority patent/WO2007147942A1/en
Publication of FI20065423A publication Critical patent/FI20065423A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI119489B publication Critical patent/FI119489B/fi

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M12/00—Hybrid cells; Manufacture thereof
    • H01M12/04—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type
    • H01M12/06—Hybrid cells; Manufacture thereof composed of a half-cell of the fuel-cell type and of a half-cell of the primary-cell type with one metallic and one gaseous electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/06—Electrodes for primary cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/42—Alloys based on zinc
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/46—Alloys based on magnesium or aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)

Description

119489
Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno
Keksinnön ala
Esillä oleva keksintö liittyy yleisesti sähkötehoa tuottavien sähkökemiallisten kennojen alaan. Erityisesti esillä oleva keksintö liittyy hybridiraken-5 teeseen, jossa tavanomainen paristoteknologia yhdistyy polttokennoteknologi-aan, jossa katalyyttinä on entsyymi.
Keksinnön tausta
Biologinen polttokenno on sähkökemiallinen laite, joka muuntaa kemiallisten reaktioiden energian sähköenergiaksi elävien solujen ja/tai niiden 10 entsyymien katalyyttisen toiminnan avulla. Niiden toimintaperiaate on sama kuin kemiallisten polttokennojen. Pääerona on, että biologisen polttokennon katalyytti on entsyymi eikä jalometalli, esimerkiksi platina.
Käytettävissä on runsaasti kirjallisuutta, joka liittyy entsyymikatalyyt-tejä hyödyntäviin polttokennoihin anodisen ja katodisen kinetiikan parantami-15 seksi. Tarkemmin sanottuna on olemassa polttokennoja, jotka käyttävät ent-syymikatalyyttejä joko katoditilassa tai anoditilassa tai molemmissa. Esimerkiksi US-patenttihakemus 2005/0164073 A1 kuvaa polttokennoa, joka käyttää ainakin katoditilassa ja mahdollisesti anoditilassa hapetus-pelkistysentsyymejä. US-patenttihakemukset 2002/0164073 A ja 2005/0095466 A1 kuvaavat poltto-20 kennoja, joissa sekä anodi- että katodireaktiot ovat entsyymikatalysoituja. Li-saksi US-patenttihakemus 2005/0158617 A1 ja EP-patenttihakemus 1376729 • · · \.'t A2 kuvaavat polttokennoja, joiden anodireaktiot ovat entsyymikatalysoituja ja katodireaktiot on katalysoitu entsymaattisesti tai kemiallisesti.
• · ·
On siis kiinnostusta tuottaa sähkökemiallinen kenno, joka on me- ’"·* 25 kaanisesti joustava, pienikokoinen ja voidaan hävittää normaalin kotitalousjät- • · · teen mukana. Tällaisten sähkökemiallisten kennojen tehontarve ei ole suuri, vain enintään 1-2 mW, mutta se on riittävä antamaan tehoa yksinkertaisille sähköpiireille kertakäyttöisissä pastatuotteissa, kuten aktiivisissa tai puoliaktii- :***: visissa RFID-tunnisteissa (Radio Frequency Identification). Biologiset poltto- • * * | . 30 kennot tarjoavat merkittävän vaihtoehdon tavanomaiselle paristoteknologialle ! näissä sovelluksissa. Kaikki edellä mainituissa patenttihakemuksissa kuvatut ratkaisut ovat biologisia polttokennojärjestelmiä, joissa anoditilassa käytetty :T: polttoaine, esimerkiksi hiilihydraatit kuten glukoosi, alkoholit ja niin edelleen, ·:··· hajoaa vapaiksi elektroneiksi, protoneiksi ja muiksi reaktiotuotteiksi. Näillä tun- 35 netuilla polttokennoilla ei kuitenkaan ole kaikkia mainittuja edullisia piirteitä, joi- 119489 2 loin niiden käyttöala eroaa joustavien ja kertakäyttöisten kennojen käyttöalasta. Tunnettujen, entsyymejä sekä anodi- että katodikatalyytteinä käyttävien poltto-kennojen yksi suuri haittapuoli on se, että niissä on suhteellisen pieni avoimen piirin jännite. Tämän seurauksena kennoja on kasattava useampia, yleensä ai-5 nakin kolmesta neljään kennoa, sarjaan tuottamaan energiaa laitteelle, mikä tekee pienikokoisen joustavan rakenteen tekemisestä vaikeaa.
Esillä oleva keksintö antaa käyttöön polttokennotyyppisen teknologian, jossa on suuri avoimen piirin jännite, jolloin on mahdollista rakentaa pienikokoisia, vain yhdestä kahteen kennoa sisältäviä tehonlähteitä ja näin tuote-10 taan helposti joustava rakenne.
Keksinnön yhteenveto
Esillä olevan keksinnön tavoitteena on antaa käyttöön sähkökemiallinen kenno, joka on pieni ja ohut ja jolla on joustava rakenne. Esillä olevan keksinnön tavoite saavutetaan sähkökemiallisella kennolla, joka on itsenäisen 15 patenttivaatimuksen mukainen. Keksinnön edullisia sovellusmuotoja kuvataan epäitsenäisissä vaatimuksissa.
Esillä olevan keksinnön keksijät totesivat yllättäen, että pieniä, ohuita ja mekaanisesti joustavia sähkökemiallisia kennoja voidaan tehdä yhdistämällä metallipohjainen anodi entsyymikatalysoituun katodiin.
20 Esillä olevan keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että kek- :“1\* sinnön mukaisilla sähkökemiallisilla kennoilla on haluttu suuri avoimen piirin :1·.· jännite ja entsyymikatalyyttiä hyödyntäviä tunnettuja sähkökemiallisia kennoja • · suurempi tehon/virrantiheys. Lisäksi niille on ominaista se, että niiden rakenne on yksinkertainen, eikä siinä käytetä myrkyllisiä tai haitallisia materiaaleja.
* * "V 25 Keksinnön mukaiset sähkökemialliset kennot voidaan siten hävittää helposti "I normaalin kotitalousjätteen mukana. Keksinnön mukaisten sähkökemiallisten * · ***** kennojen lisäetuna on se, että ne voidaan helposti valmistaa yleisesti tunnetuil la paino- ja päällystysmenetelmillä, kuten silkkipainotekniikalla, alhaisin kus- : *** tannuksin teollisessa mittakaavassa.
• · · φ · • · • · · * . 30 Piirustusten lyhyt kuvaus • · . Kuvio 1 on yleiskuva esillä olevan keksinnön mukaisesta sähköke miallisesta kennosta.
*»· • · ♦ ♦ · ·
S
119489 3
Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus
Esillä olevan keksinnön kohteena on sähkökemiallinen kenno, joka käsittää integroidun metallipohjaisen anodin ja entsyymikatalysoidun katodin. Kuviossa 1 esitetään keksinnönmukaisen sähkökemiallisen kennon yleisra-5 kenne. Sähkökemiallisen kennon anodiosa käsittää anodivirrankerääjän 1 ja anodipastan 2 anodivirrankerääjän päällä. Katodiosa käsittää katodivirranke-rääjän 5 ja katodipastan 4 katodivirrankerääjän päällä. Anodi- ja katodiosat on erotettu toisistaan erotinkerroksella 3.
Kuten standardissa sähkökemiallisessa kennossakin, anodissa ta-10 pahtuu substraatin hapetusreaktio, josta vapautuu samanaikaisesti elektroneja, ja katodissa tapahtuu hapettimen pelkistymisreaktio. Kun kenno yhdistetään tehoa käyttävään laitteeseen, käynnistyy samanaikaisesti jatkuva elektronien virta anodista katodiin, jolloin elektroneja käytetään pelkistämään hapetin ulkoisen piirin kautta, ja jatkuva ioninen virta anodin ja katodin ionivirtojen välillä. 15 Hapetin voi olla happi tai sopiva oksidantti. Happi otetaan ilmasta, mikä tarkoittaa sitä, että hapettimen syöttö ei rajoita keksinnön mukaisen sähkökemiallisen kennon suorituskykyä. Näin keksinnön mukainen sähkökemiallinen kenno toimii sähkökuorman energianlähteenä.
1. Anodi 20 Esillä olevan keksinnön mukaisessa sähkökemiallisessa kennossa käytettävä anodi käsittää anodivirrankerääjän ja anodipastan. Eräässä keksin- • nön sovellusmuodossa anodipasta käsittää metallijauhetta, elektrolyytin ja si- • · \*·; deaineen. Keksinnön mukainen metallijauhe on elektroneja tuottavaa aktiivista anodimateriaalia. Metallijauhe voidaan valita ryhmästä myrkyttömiä metalleja, j :‘: 25 jotka esiintyvät jännitesarjan lopussa, koska niillä on alhainen potentiaali. Näitä • myrkyttömiä metalleja ovat esimerkiksi sinkki, alumiini, rauta ja titaani. Eräässä m .***. keksinnön edullisessa sovellusmuodossa metallijauhe on sinkkiä.
Yleisesti ottaen elektrolyytti on aine, joka helpottaa elektronien va-:·' pautumista elektronijohtimessa. Elektrolyytti yhdistetään anodipastaan anta- 30 maan riittävä ionivirta ja sekä anodi- että katodielektrodireaktiot. Sopivia, esillä • · **"* olevassa keksinnössä käytettäviä elektrolyyttejä ovat esimerkiksi kaikenlaiset *:**: epäorgaaniset myrkyttömät suolaliuokset, hapot ja emäkset, esimerkiksi NaCI, ·:··: ZnCfe, NH4CI, HOI, KOH, Zn(Ac)2, ja muut alan ammattilaisten tuntemat mate- y..t riaalit. Edullisia elektrolyyttejä ovat ZnCI2 ja KOH, edullisempi on ZnCI2.
** l 35 Eräässä toisessa keksinnön sovellusmuodossa anodipasta käsittää lisäksi yhden tai useamman lisäaineen. Keksinnön mukaisesti lisäainetta käy- 119489 4 tetään parantamaan sähkökemiallisen kennon suorituskykyä, esimerkiksi estämällä anodipastassa käytetyn metallijauheen korroosiota. Sopiva lisäaine on esimerkiksi sinkkioksidi, kun sinkkiä käytetään metailijauheena. Myös ammo-niumkloridia voidaan käyttää sähkökemiallisen kennon suorituskyvyn optimoi-5 miseksi.
Eräässä toisessa keksinnön sovellusmuodossa anodipasta käsittää lisäksi hiilijauhetta. Hiilijauhe voi olla grafiittijauhetta, hiilimustajauhetta tai vastaavaa, edullisesti se on grafiittijauhetta. Keksinnön mukaisesti hiilijauheen käyttö anodipastassa lisää anodin kosteuden ylläpitämiskykyä, mikä parantaa 10 myös sähkökemiallisen kennon suorituskykyä.
Keksinnön mukaisesti sideainetta käytetään metallijauheen, elektrolyytin, lisäaineen ja hiilijauheen, jos sellainen on mukana, pitämiseksi yhdessä. Esillä olevaan keksintöön soveltuvia sideaineita ovat esimerkiksi polyvinyyliai-koholi (PVA), polyakryylihappo (PAA), karboksimetyyliselluloosa (CMC), tärk-15 kelys ja muut alan ammattilaisten tuntemat materiaalit.
Keksinnön mukaisesti anodipasta levitetään anodivirrankerääjän pinnalle. Keksinnön erityisessä sovellusmuodossa pasta levitetään pinnalle paino- tai päällystysmenetelmällä, esimerkiksi silkkipainomenetelmällä, ohuena kerroksena.
20 Keksinnön mukaisessa sähkökemiallisessa kennossa käytetty ano- divirrankerääjä voidaan tehdä erilaisista sähköä johtavista materiaaleista. So-j pivat materiaalit ovat tyypillisesti syöpymättömiä ja näitä ovat esimerkiksi hiili- muste, grafiittikalvo, hiilikangas ja muut alan ammattilaisten tuntemat materiaa- ··1 lit. Esillä olevassa keksinnössä virrankerääjä on edullisesti kalvon muodossa.
·♦·· : .·. 25 On huomattava, että esillä olevassa keksinnössä sähkökemiallisen • · · !'X kennon anodissa ei käytetä katalyyttiä. Siksi sinkki ei ole katalyytti vaan elekt- * · 1 .I”, roneja tuottava substraatti. Anodissa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio voi- • · *** daan kuvata seuraavalla tavalla: · *” 30 M —> Mn+ + ne, ··· • · • · *·· ·:··· jolloin M on metalli. Jos metalli on sinkki, yhtälö on
Zn -1 Zn2+ + 2e.
• ·1 • · · 35 • · 5 119489 2. Katodi
Esillä olevan keksinnön mukaisessa sähkökemiallisessa kennossa käytetty katodi käsittää katodivirrankerääjän ja katodipastan tai -musteen. Eräässä keksinnön sovellusmuodossa katodipasta käsittää entsyymikatalyytin, 5 elektrolyytin, elektronimediaattorin, hiilijauhetta ja sideaineen. Eräässä toisessa keksinnön sovellusmuodossa katodimuste käsittää entsyymikatalyytin, elektronimediaattorin ja sähköä johtavaa mustetta. Tässä hakemuksessa termi ’’katodipasta” tarkoittaa aineiden yhdistelmää, joka sisältää kosteutta. Termi ’’katodimuste” tarkoittaa aineiden yhdistelmää, joka kuivataan yhdistämisen jäl-10 keen. Yleisesti termit ’’pasta” ja ’’muste” ovat käsitteitä, jotka sähkökemiallisten kennojen alan ammattilaiset hyvin tuntevat.
Riittävän elektronin siirron aikaansaamiseksi katodivirrankerääjän ja entsyymin aktiivisen keskuksen välillä ja sähkökemiallisen kennon virrantiheyksien parantamiseksi katodissa käytetään elektronimediaattoria (jatkossa 15 mediaattori). Mediaattori sisältyy katodivirrankerääjän päälle levitettävään pastaan tai mustein. Mediaattori on yhdiste, joka vastaanottaa tai luovuttaa elektroneja helposti. Näin ollen mediaattorilla on hapettunut muoto, joka kykenee vastaanottamaan elektroneja muodostaakseen pelkistetyn muodon. Pelkistetty muoto voi luovuttaa elektroneja hapettuneen muodon muodostamiseksi. Esillä 20 olevassa keksinnössä käyttökelpoinen mediaattori on esimerkiksi 4-hydroksi-bentsoehappo, 4-hydroksibentsyylialkoholi, 2,2’-atsino-bis-(3-etyylibentsotiat- • V soliini-6-sulfonihappo) (ABTS), 1-hydroksibentsotriatsoli, metioniini, kysteiini tai pelkistetty glutationi. Myös muita alan ammattilaisten tuntemia mediaattoreiksi ·:· soveltuvia materiaaleja voidaan käyttää. Keksinnön erityisessä sovellusmuo- ···· j .·. 25 dossa mediaattorina käytetään ABTS:ää.
*·· · . .·. Katodipastassa on elektrolyytti, jotta varmistetaan ionivirta sähkö- • · · kemiallisessa kennossa ja katodireaktio. Sopivia katodipastassa käyttökelpoi- • · siä elektrolyyttejä ovat suolaliuokset, kuten sukkinaattipuskuriliuos, ZnCI2 ja .. muut alan ammattilaisten tuntemat materiaalit.
• * 30 Katodipastassa käytetty hiilijauhe voi olla grafiittijauhetta, hiilimusta- *··.: jauhetta tai vastaavaa, edullisesti se on grafiittijauhetta. Keksinnön mukaisesti ·:··· pääasialliset tarkoitukset hiilijauheen käyttöön katodissa ovat lisätä katodin kosteuden ylläpitokykyä ja lisätä katodipastan sähkönjohtavuutta katodipastan muiden komponenttien huonomman sähkönjohtokyvyn johdosta. Kosteutta tar- * · · 35 vitaan, että entsyymi toimisi kunnolla.
· 119489 6
Katodipastassa käytetään sideainetta pitämään entsyymi, mediaat-tori, elektrolyytti ja hiilijauhe yhdessä. Käytettäviä sideaineita ovat esimerkiksi anodipastan yhteydessä mainitut, ts. PVA, PAA ja CMC. On todettava, että kun katodissa käytetään katodimustetta musteen ei tarvitse lisätä erillistä si-5 deainetta.
Kuten anodissa oleva pasta, myös katodipasta tai -muste levitetään katodivirrankerääjän pinnalle. Keksinnön erityisessä sovellusmuodossa katodi-pasta levitetään pinnalle paino- tai päällystysmenetelmällä, kuten silkkipaino-menetelmällä, ohuena kerroksena.
10 Esillä olevassa keksinnössä käytetty katodivirrankerääjä on läpäise vä virrankerääjä. Anodivirrankerääjän lailla myös katodivirrankerääjä voidaan tehdä erilaisista sähköä johtavista materiaaleista. Sopivat materiaalit ovat tyypillisesti syöpymättömiä ja näitä ovat esimerkiksi hiilimuste, grafiittikalvo, hiili-kangas ja muut alan ammattilaisten tuntemat materiaalit. Esillä olevassa kek-15 sinnössä virrankerääjä on edullisesti kalvon muodossa.
Keksinnön mukaisesti katodi on sovitettu elektropelkistämään hapetin entsyymin läsnä ollessa. Edullisessa sovellusmuodossa hapetin on ilmasta peräisin olevaa kaasumaista happea. Elektropelkistysreaktiota varten happi diffundoituu ilmasta katodipastaan ja liukenee siihen. Eräässä toisessa sovel-20 lusmuodossa hapetin on peroksidiyhdiste tai sytokromi-c:tä. Jos käytetään pe-roksidia tai sytokromi-c:tä, ne sisällytetään katodipastaan. Jos käytetään mus- • tetta, hapetin tuodaan kosketukseen mustekerroksen kanssa kostean pinnan läpi.
• * ··. Keksinnön mukaisesti entsyymi katalysoi hapettimen pelkistysreak- *·** : .·. 25 tion katodilla käyttämällä anodin tuottamia elektroneja. Hapettimen eiektropel- kistyksessä käytettäviä entsyymejä ovat esimerkiksi erityyppiset hapetus- • · · ΙΪ.' pelkistysentsyymit. Keksinnön mukaisesti termi hapetus-pelkistysentsyymi tar- ***' koittaa entsyymiä, joka kykenee katalysoimaan hapen tai peroksidin pelkistys reaktion vedeksi ja sytokromi-c:n pelkistysreaktion Fe3+:sta Fe2+:ksi. Esillä ole- ϊ " 30 vassa keksinnössä käytettäviä mahdollisia hapetus-pelkistysentsyymejä ovat • · · lakkaasit ja muut oksidaasit. Eräässä keksinnön edullisessa sovellusmuodossa entsyymi on hapen hapetus-pelkistysentsyymi, kuten sytokromi-c-oksidaasi, Pseudomonas-sytokromi-oksidaasi, Rifamycin-B-oksidaasi, 3-hydroksiantrani- • * • laatti-oksidaasi, O-aminofenoli-oksidaasi, L-askorbaatti-oksidaasi, Katekoli- ··· v : 35 oksidaasi ja lakkaasi. Kun peroksidia käytetään hapettimena, sopivia entsyy- » mejä ovat esimerkiksi sytokromi-c-peroksidaasi, katalaasit ja peroksidaasit.
119489 7
Kun sytokromi-c:tä käytetään hapettimena, sopivia entsyymejä ovat esimerkiksi L-askorbaatti-sytokromi-b5-reduktaasi ja Ubikinol-sytokromi-c-reduktaasi.
Esillä olevassa keksinnössä hapetus-pelkistystyyppinen entsyymi osallistuu hapetus-pelkistysreaktioon, joka kykenee katalysoimaan hapettimen 5 pelkistysreaktion vedeksi, kun happea tai peroksidia käytetään hapettimena, tai sytokromi-c:ksi (Fe2+:ksi), kun sytokromi-c Fe3+:aa käytetään hapettimena. Katodissa anodista peräisin olevat elektronit virtaavat katodielektrodiin. Siellä elektronit yhdistyvät mediaattorin hapettuneeseen muotoon ja tuottavat medi-aattorin pelkistetyn muodon. Seuraavaksi mediaattorin pelkistetty muoto reagoi 10 entsyymin hapettuneen muodon kanssa, mikä tuottaa entsyymin pelkistetyn muodon ja mediaattorin hapettuneen muodon. Entsyymin pelkistetty muoto reagoi tämän jälkeen hapettimen kanssa, jolloin syntyy hapettimen pelkistetty muoto ja vettä. Edellä mainittua reaktion kulkua voidaan havainnollistaa seu-raavalla yhtälöllä hapen ollessa hapettimena: 15
Mediaattorl (hapetin) + elektroni mediaattori (pelkistin)
Mediaattori (pelkistin) + entsyymi (hapetin) —> mediaattori (hapetin) + entsyymi (pelkistin)
Entsyymi (pelkistin) + O2 -► entsyymi (hapetin) + H2O.
20
Katodiosan hapetus-pelkistysentsyymin hapetus-pelkistysreaktion ·· * • *,· havainnollistamiseksi jäljempänä on esimerkki, jossa käytetään lakkaasia ka- :/.{ todientsyyminä.
··· *··· ϊ 25 4 bentseenidioli + O2 = 4 bentsosemikinoni + 2 H2O, ··· · • · · • * « jolloin bentseenidioli on lakkaasin pelkistetty muoto ja bentsosemikinoni on lak- • t kaasin hapettunut muoto.
„ Esillä olevan keksinnön mukaisen sähkökemiallisen kennon anodi ja * · : ** 30 katodi on erotettu toisistaan erotinkerroksella. Tämä kerros voi olla mitä tähän- *·· sa huokoista materiaalia, kuten suodatinpaperia, kapasitiivista paperia, eri * ·:··: muovikalvoja, jotta protonit pääsevät virtaamaan erotinkerroksen läpi. Erotin- kerrokseen sopivat useat materiaalit, jotka ovat alan ammattilaisille tuttuja. Eräässä keksinnön sovellusmuodossa erotinkerros sisältää elektrolyytin, esi- • · · *·* ' 35 merkiksi jonkin anodi- ja katodipastan yhteydessä mainituista. Kun katodissa käytetään katodimustetta, erotinkerros sisältää elektrolyytin.
β 119489
Keksinnön mukaisen sähkökemiallisen kennon avoimen piirin jännite on tyypillisesti 1,3-1,5 V. Muut toimintaparametrit, kuten ulostuloteho, riippuvat sähkökemiallisen kennon fyysisistä mitoista.
Esillä olevan keksinnön mukaista sähkökemiallista kennoa voidaan 5 käyttää sovelluksissa, jotka edellyttävät sähkövoimaa. Keksinnön mukaiset sähkökemialliset kennot ovat erityisen käyttökelpoisia sovelluksissa, joissa tarvitaan pieniä, ohuita ja mekaanisesti joustavia tehonlähteitä. Kennojen kokoa ei kuitenkaan ole rajoitettu pieniin, koska myös suuriin alueisiin voidaan käyttää painotekniikkaa. Esillä olevan keksinnön mukaisten sähkökemiallisten ken-10 nojen koon suurentaminen lisää ulostulotehoa, mikä voi olla hyödyllistä joissakin sovelluksissa, kuten erityyppisiin pintoihin kiinnitetyissä joustavissa näyt-töyksiköissä. Keksinnön mukaiset sähkökemialliset kennot voivat olla kooltaan esimerkiksi 4x4 cm2 ja paksuudeltaan noin 1 mm. Esimerkkejä sopivista sovelluksista ovat, näihin kuitenkaan rajoittumatta, älytarrat, mikroanturit ja RFID-15 tunnistesovellukset, kun halutaan pidentää lukuetäisyyttä ja parantaa lukijan asennon vapautta. Kiinnostus tämän tyyppisiä sovelluksia kohtaan kasvaa jatkuvasti.
Esimerkki Tämä on esimerkki sähkökemiallisesta sinkki-ilma-kennosta. Ano- 20 dipasta käsittää sinkkijauhetta, PVA:ta sideaineena, sinkkikloridia elektrolyytti- nä ja grafiittijauhetta. Katodipasta käsittää lakkaasientsyymin, ABTS:ää medi- :*·.· aattorina, sekä sinkkikloridiliuosta että sukkinaattipuskuriliuosta elektrolyyttinä, • · grafiittijauhetta ja PVA:ta sideaineena. Hapettimena käytetään ilmasta saata- : ,·. vaa happea. Anodin ja katodin välinen erotin on VWR International lnc.:in suo- • · · "V 25 datinpaperi. Anodivirrankerääjä on grafiittikalvo ja katodivirrankerääjä on hiili- • · · n IX kangas. Kennon koko on 4 x 4 cm ja paksuus noin 1 mm.
• a ***** Edellä kuvattua sähkökemiallista kennoa käytettiin mittaamaan avoi men piirin jännitettä (maksimi avoin), virtaa viiden tunnin ja viidentoista tunnin : *** käytön jälkeen ja kokonaiskapasiteettia. Koeajot toistettiin neljä kertaa. Tulok- ·· 30 set esitetään alla olevassa taulukossa.
• • 4 4 4 4 4 444 • 44 4 4 4 4 4 • 4 9 119489
Avoimen piirin Virta (mA) Virta (mA) Kokonaiskapasi-jännite (mV) 2000 ohmissa 2000 ohmissa teetti mAh) 1 tunnin 5 tunnin 15 tunnin 800 mV:n valmistelun käytön käytön sulku- jälkeen jälkeen jälkeen jännitteelle
Kenno 1 1423 0,5475 0,4237 8,31
Kenno 2 1418 0,5421 0,4304 8,45
Kenno 3 1384 0,5034 0,4193 7,24
Kenno 4 1389 0,5053 0,4044 6,98
Keskiarvo_1404_0,5246_0,4195__7,75_
Testatuista kennoista saatu keskiteho oli noin 410 pW.
Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnöllinen ajatus voidaan toteuttaa eri tavoin. Keksintöä ja sen sovellusmuotoja 5 ei ole rajoitettu edellä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.
·· · • · · • · • ♦ • · • · ♦ • ·· • ♦ ··· ·**· * · * 1 ♦ • · · * « · 1 · ··· ·1· • · • ♦ ·· • 1 • ·♦ ··· • · • · ··1 « « • · • · ··♦ • · · • A · ·

Claims (21)

119489 I. Entsyymikatalyyttiä käyttävä sähkökemiallinen kenno, joka käsittää 5 metallipohjaisen anodin, joka käsittää anodivirrankerääjän ja anodi- pastan, katodin, joka käsittää katodivirrankerääjän ja entsyymikatalyytin sisältävän katodipastan tai -musteen ja erotinkerroksen anodin ja katodin välillä.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähkökemiallinen kenno, jossa anodipasta käsittää metallijauhetta, elektrolyytin ja sideaineen.
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen sähkökemiallinen kenno, jossa metallijauhe valitaan ryhmästä myrkyttömiä metalleja, jotka esiintyvät jännitesarjan lopussa.
4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen sähkökemiallinen kenno, jossa metallijauhe valitaan ryhmästä, johon kuuluvat sinkki, alumiini, rauta ja titaani.
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen sähkökemiallinen kenno, jossa metallijauhe on sinkki.
6. Jonkin patenttivaatimuksen 2-5 mukainen sähkökemiallinen ken-20 no, jonka sideaine on polyvinyylialkoholi.
7. Jonkin patenttivaatimuksen 2-6 mukainen sähkökemiallinen ken- .·. : no, jossa elektrolyytti on epäorgaaninen myrkytön suolaliuos, happo tai emäs, kuten NaCI, ZnCI2, NH4CI, HCI, KOH, Zn(Ac)2.
8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähkökemialli- :*V 25 nen kenno, jonka anodipasta käsittää lisäksi yhtä tai useampaa lisäainetta, ku- • · · ten inhibiittoria, esimerkiksi sinkkioksidia. • · ·
9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähkökemiallinen kenno, jonka anodipasta käsittää lisäksi hiilijauhetta. :V: 10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähkökemialli- : 30 nen kenno, jossa anodipasta levitetään anodivirrankerääjän päälle ohuena ker- ( roksena paino- tai päällystysmenetelmällä. II. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähkökemialli- **;·* nen kenno, jossa entsyymikatalyytin sisältävä katodipasta käsittää myös elekt- ronimediaattorin, elektrolyytin, hiilijauhetta ja sideaineen. • « · • · • « • · · 119489
12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-10 mukainen sähkökemiallinen kenno, jossa entsyymikatalyytin sisältävä katodimuste käsittää myös elektro-nimediaattorin.
13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen sähkökemiallinen ken-5 no, jossa entsyymi on hapen hapetus-pelkistystyyppinen entsyymi, joka on valittu ryhmästä, joka koostuu sytokromi-c-oksidaasista, Pseudomonas-syto-kromi-oksidaasista, Rifamycin-B-oksidaasista, 3-hydroksiantranilaatti-oksidaa-sista, O-aminofenoli-oksidaasista, L-askorbaatti-oksidaasista, Katekoli-oksi-daasista ja lakkaasista.
14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen sähkökemiallinen kenno, jos sa entsyymikatalyytti on lakkaasi.
15. Patenttivaatimuksen 11 tai 14 mukainen sähkökemiallinen kenno, jossa eiektronimediaattori on 2,2’-atsino-bis-(3-etyylibentsotiatsoliini-6-sul-fonihappo).
16. Patenttivaatimuksen 11 mukainen sähkökemiallinen kenno, jos sa elektrolyytti on epäorgaaninen myrkytön suolaliuos, kuten sukkinaattipusku-riliuos tai ZnCfe.
17. Patenttivaatimuksen 11 mukainen sähkökemiallinen kenno, jossa sideaine on polyvinyylialkoholi.
18. Patenttivaatimuksen 11 tai 17 mukainen sähkökemiallinen ken no, jossa katodipasta tai -muste levitetään katodivirrankerääjän päälle ohuena kerroksena paino- tai päällystysmenetelmällä. :1·.· 19. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähkökemiani- • · nen kenno, jossa katodi on järjestetty katodihapettimena elektropelkistämään ·"·. 25 happea, peroksidia tai sytokromi-c:tä, edullisesti ilmasta peräisin olevaa hap- • « · ··· · _ . pea.
20. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähkökemiani- « · *··♦’ nen kenno, jossa erotinkerros sisältää elektrolyytin, esimerkiksi suolaliuoksen, kun käytetään katodimustetta. • ♦
21. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen sähkökemialli- ·.„·1 nen kenno käytettäväksi sovelluksissa, jotka edellyttävät ohuita, joustavia, . !·. pientehoisia tehonlähteitä, esimerkiksi älytarroissa, mikroantureissa ja RFID- • · · .···. tunnisteissa. • · • · * · • 1 · • · · • · · · • · • · • · · 119489
FI20065423A 2006-06-19 2006-06-19 Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno FI119489B (fi)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20065423A FI119489B (fi) 2006-06-19 2006-06-19 Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno
PCT/FI2007/050368 WO2007147942A1 (en) 2006-06-19 2007-06-18 Enzymatically catalyzed hybrid electrochemical cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20065423A FI119489B (fi) 2006-06-19 2006-06-19 Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno
FI20065423 2006-06-19

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20065423A0 FI20065423A0 (fi) 2006-06-19
FI20065423A FI20065423A (fi) 2007-12-20
FI119489B true FI119489B (fi) 2008-11-28

Family

ID=36651518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20065423A FI119489B (fi) 2006-06-19 2006-06-19 Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno

Country Status (2)

Country Link
FI (1) FI119489B (fi)
WO (1) WO2007147942A1 (fi)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110269029A1 (en) * 2008-09-29 2011-11-03 Akermin, Inc. Direct alcohol anion fuel cell with biocathode
PT104766A (pt) 2009-09-29 2011-03-29 Univ Nova De Lisboa Dispositivo de produção e /ou armazenamento de energia baseado em fibras e filmes finos.
PL392705A1 (pl) * 2010-10-20 2012-04-23 Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk Ogniwo cynkowo-tlenowe i jego zastosowanie
US8828581B2 (en) 2011-04-08 2014-09-09 Empire Technology Development Llc Liquid battery formed from encapsulated components
US8722228B2 (en) 2011-04-08 2014-05-13 Empire Technology Development Llc Moisture activated battery
US8735001B2 (en) 2011-04-08 2014-05-27 Empire Technology Development Llc Gel formed battery
WO2012138351A1 (en) * 2011-04-08 2012-10-11 Empire Technology Development Llc Gel formed battery
EP2999397B1 (en) 2013-05-23 2023-06-14 CutoSense Oy An arrangement for facilitating wound healing and a wound dressing

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030099882A1 (en) * 2001-06-12 2003-05-29 Hampden-Smith Mark J. Methods and materials for the preparation of a zinc anode useful for batteries and fuel cells
US20030113630A1 (en) * 2001-12-06 2003-06-19 Kainthla Ramesh C. Anodic zinc electrode for use in an alkaline based electrochemical cell
US20080248354A1 (en) * 2004-07-23 2008-10-09 Canon Kabushiki Kaisha Enzyme Electrode, and Device, Sensor, Fuel Cell and Electrochemical Reactor Employing the Enzyme Electrode
JP5307316B2 (ja) * 2004-08-23 2013-10-02 ソニー株式会社 燃料電池、燃料電池の使用方法、燃料電池用カソード電極、電子機器、電極反応利用装置および電極反応利用装置用電極

Also Published As

Publication number Publication date
FI20065423A (fi) 2007-12-20
WO2007147942A1 (en) 2007-12-27
FI20065423A0 (fi) 2006-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI119489B (fi) Entsymaattisesti katalysoitu sähkökemiallinen hybridikenno
Rengaraj et al. A comparison of redox polymer and enzyme co-immobilization on carbon electrodes to provide membrane-less glucose/O2 enzymatic fuel cells with improved power output and stability
Kim et al. A miniature membrane-less biofuel cell operating under physiological conditions at 0.5 V
Srikanth et al. Synergistic interaction of biocatalyst with bio-anode as a function of electrode materials
US7622216B2 (en) Supports for fuel cell catalysts
Sakai et al. Efficient bioelectrocatalytic CO2 reduction on gas-diffusion-type biocathode with tungsten-containing formate dehydrogenase
Santoro et al. Activated carbon nanofibers (ACNF) as cathode for single chamber microbial fuel cells (SCMFCs)
Santoro et al. High power generation by a membraneless single chamber microbial fuel cell (SCMFC) using enzymatic bilirubin oxidase (BOx) air-breathing cathode
Srikanth et al. Change in electrogenic activity of the microbial fuel cell (MFC) with the function of biocathode microenvironment as terminal electron accepting condition: influence on overpotentials and bio-electro kinetics
FI119267B (fi) Biokatalyyttinen suora-alkoholipolttokenno
Minson et al. High performance glucose/O2 biofuel cell: Effect of utilizing purified laccase with anthracene-modified multi-walled carbon nanotubes
Yazdi et al. Rechargeable membraneless glucose biobattery: Towards solid-state cathodes for implantable enzymatic devices
WO2010041511A1 (ja) 燃料電池および酵素電極
Jensen et al. A 1.76 V hybrid Zn-O2 biofuel cell with a fungal laccase-carbon cloth biocathode
Xiao et al. A biofuel cell in non-aqueous solution
Ivanov et al. Direct hybrid glucose–oxygen enzymatic fuel cell based on tetrathiafulvalene–tetracyanoquinodimethane charge transfer complex as anodic mediator
LóPez-González et al. Hybrid microfluidic fuel cell based on Laccase/C and AuAg/C electrodes
Yu et al. A miniature origami biofuel cell based on a consumed cathode
Scott et al. Harnessing electric power from monosaccharides—a carbohydrate–air alkaline fuel cell mediated by redox dyes
Karajić et al. Enzymatic glucose-oxygen biofuel cells for highly efficient interfacial corrosion protection
Kuwahara et al. Fabrication of enzyme electrodes with a polythiophene derivative and application of them to a glucose fuel cell
Li et al. Platinum nanoparticles (PtNPs)-Laccase assisted biocathode reduction of oxygen for biofuel cells
Gomez et al. Peroxidase biocathodes for a biofuel cell development
EP3669408B1 (en) Galvanic system with increased output voltage and way of increasing the output voltage of the galvanic system
Nam et al. Electricity generation from MFCs using differently grown anode-attached bacteria

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 119489

Country of ref document: FI

MM Patent lapsed