Über die Leerlaufspannung von Biobrennstoffzellen: Nernstverschiebung bei pseudokapazitiven Elektroden

Abstract

Ein besonderes Augenmerk bei der Entwicklung von Biobrennstoffzellen liegt im Erreichen von herausragenden Kennzahlen, wie extreme Langlebigkeit, hohe Maximalleistung oder hohe Leerlaufspannung. Dabei werden für Biobrennstoffzellen, die ein pseudokapazitives Element in Form immobilisierter Redoxmediatoren aufweisen, wie sie z. B. in Redoxpolymer/Enzymelektroden vorhanden sind, in der Praxis erhöhte Leerlaufspannungen beobachtet, die sich deutlich von den theoretisch zu erwartenden Werten unterscheiden. Obwohl dieser Effekt in der Literatur dokumentiert ist, wurde dem genauen Verständnis dieses Phänomens wenig oder kaum Beachtung geschenkt und als inhärenter Bestandteil des zu Grunde liegenden Systems akzeptiert. Dieser Beitrag zeigt, dass dieser Effekt auf einer Nernstverschiebung des Elektrodenpotentials beruht, der durch das Eintreten der biokatalytischen Umsetzung eines entsprechenden Substrats durch den Biokatalysator, bei Abwesenheit oder bei nur geringem Stromflusses induziert wird. Unsere Ergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung von auf der Elektrodenoberfläche immobilisierten Redoxmediatoren, eine entsprechende Biobrennstoffzelle eine deutlich höhere Leerlaufspannung aufweist, die auf einer durch die Enzymreaktion induzierten Ladungsspeicherung innerhalb der Redoxpolymermatrix, beruht. Somit ergibt sich ein völlig neuer Gesichtspunkt für das Design und die Evaluierung von auf pseudokapazitiven Elementen basierenden (Bio‐)Brennstoffzellen.