Độc đáo pin sinh học từ đường và vitamin B2

Được biết, nguyên mẫu pin dòng chảy (flow cell battery) thế hệ mới hoạt động nhờ vào đường glucose và Vitamin B2 (riboflavin). Phát minh này không chỉ là một thành tựu kỹ thuật mà còn là minh chứng cho sự kết hợp hài hòa giữa hóa học và sinh học, khi ý tưởng chế tạo pin được lấy cảm hứng trực tiếp từ cơ chế chuyển hóa đường glucose thành năng lượng trong cơ thể người.

Trong công nghệ này, Vitamin B2 đóng vai trò then chốt như một chất trung gian. Chất trung gian này giúp vận chuyển các điện tử giữa các điện cực và chất điện phân glucose, từ đó tạo ra dòng chảy điện hóa học từ năng lượng được lưu trữ trong phân tử đường. Đây là một sự khác biệt đáng kể so với các loại pin nhiên liệu glucose truyền thống, vốn thường phải dựa vào các chất xúc tác kim loại quý hiếm và đắt đỏ, gây khó khăn cho việc mở rộng quy mô sản xuất.

Theo Jong-Hwa Shon, tác giả chính của nghiên cứu, các tế bào pin dòng chảy riboflavin và glucose có khả năng tạo ra điện năng từ các nguồn năng lượng có nguồn gốc tự nhiên. Ông nhấn mạnh rằng việc sử dụng các thành phần không độc hại, vừa rẻ tiền lại vừa dồi dào trong tự nhiên, đã mở ra một con đường đầy hứa hẹn để hướng tới giải pháp lưu trữ năng lượng dân dụng an toàn và có giá thành phải chăng hơn.

Giải pháp thay thế cho chất xúc tác kim loại quý

Pin dòng chảy là một loại hình công nghệ lưu trữ năng lượng bằng cách lưu trữ năng lượng hóa học trong hai chất điện phân lỏng, được gọi là anolyte và catholyte, lưu thông qua các điện cực dương và âm. Khi các phản ứng hóa học xảy ra tại các chất điện phân và điện cực, năng lượng hóa học được chuyển đổi thành năng lượng điện, và ngược lại khi pin được sạc.

Glucose, một loại đường dễ dàng tìm thấy trong hầu hết loài thực vật có tiềm năng trở thành một chất điện phân dồi dào và chi phí thấp, đóng vai trò là nguồn năng lượng chính trong pin dòng chảy. Trong khi đó, Vitamin B2 đã cho thấy khả năng đầy hứa hẹn như một chất thay thế cho các chất xúc tác kim loại truyền thống, nhờ vào tính ổn định cao của loại vitamin này trong môi trường pH kiềm mà các tế bào pin dòng chảy glucose yêu cầu. Sự ổn định và khả năng hoạt động như một cầu nối điện tử của riboflavin là chìa khóa để hệ thống này có thể vận hành mà không cần đến các chất xúc tác đắt đỏ, khó mở rộng quy mô.

Trong quá trình thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng điện cực carbon và thử nghiệm hai cấu hình chất điện phân khác nhau. Cấu hình thứ nhất sử dụng kali ferricyanide, cho phép đo lường chính xác hoạt động xúc tác của riboflavin. Cấu hình thứ hai sử dụng oxy, một lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn rất nhiều cho việc mở rộng quy mô thực tế.

Tiềm năng vượt trội và định hướng phát triển trong tương lai

Kết quả thực nghiệm từ phiên bản sử dụng oxy cho thấy hiệu suất đáng kinh ngạc. Tế bào nhiên liệu glucose-oxy đã đạt được mật độ năng lượng đỉnh 13mW/cm². Con số này được ghi nhận là cao hơn gấp 20 lần so với các giá trị đã được báo cáo trước đây cho pin dòng chảy glucose hoạt động trong các điều kiện tương tự. Hiệu suất vượt trội này không chỉ khẳng định tính khả thi của thiết kế pin sinh học mà còn đặt nền móng cho việc ứng dụng rộng rãi hơn.

Các nhà nghiên cứu tin rằng, pin dòng chảy glucose-riboflavin đánh dấu một sự thay đổi mô hình quan trọng. Nó dịch chuyển khỏi việc sử dụng các chất xúc tác kim loại truyền thống để khai thác bộ máy phân tử tự nhiên của thiên nhiên cho việc phát điện. Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu có thể tái tạo như glucose và vitamin B2 không chỉ giải quyết vấn đề chi phí mà còn nâng cao tính an toàn và thân thiện với môi trường của công nghệ lưu trữ năng lượng.

Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng thẳng thắn thừa nhận rằng vẫn còn những thách thức cần được giải quyết, đặc biệt là việc ngăn chặn phản ứng ánh sáng với riboflavin, vốn có thể làm giảm mật độ năng lượng của tế bào pin dựa trên oxy. Trong thời gian tới, các nhà khoa học dự định tập trung cải thiện mật độ năng lượng của tế bào pin dòng chảy glucose chứa oxy bằng cách tối ưu hóa kỹ thuật cấu tạo tế bào và tìm kiếm các giải pháp che chắn ánh sáng hiệu quả. Mục tiêu cuối cùng là hoàn thiện công nghệ này, mở đường cho việc triển khai rộng rãi các hệ thống lưu trữ năng lượng dân dụng và lưới điện quy mô lớn, bền vững và chi phí thấp dựa trên nguồn năng lượng sinh học.