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Ultradünne Brennstoffzelle nutzt körpereigenen Zucker zur Stromerzeugung

Siliziumchip mit 30 einzelnen Glukose-Mikrobrennstoffzellen, die als kleine silberne Quadrate in jedem grauen Rechteck zu sehen sind. Bildnachweis: Kent Dayton

Glukose ist der Zucker, den wir aus der Nahrung aufnehmen, die wir essen. Es ist der Treibstoff, der jede Zelle in unserem Körper antreibt. Könnte Glukose auch die medizinischen Implantate von morgen antreiben?

Davon gehen Ingenieure des MIT und der Technischen Universität München aus. Sie haben eine neuartige Glukose-Brennstoffzelle entwickelt, die Glukose direkt in Strom umwandelt. Das Gerät ist kleiner als andere vorgeschlagene Glukosebrennstoffzellen und misst nur 400 Nanometer Dicke oder etwa 1/100 des Durchmessers eines menschlichen Haares. Die zuckerhaltige Stromquelle erzeugt etwa 43 Mikrowatt pro Quadratzentimeter Strom und erreicht damit unter Umgebungsbedingungen die bisher höchste Leistungsdichte aller Glukose-Brennstoffzellen.

Das neue Gerät ist außerdem widerstandsfähig und hält Temperaturen von bis zu 600 Grad Celsius stand. Bei Einbau in ein medizinisches Implantat könnte die Brennstoffzelle durch den für alle implantierbaren Geräte erforderlichen Hochtemperatur-Sterilisationsprozess stabil bleiben.

Das Herzstück des neuen Geräts besteht aus Keramik, einem Material, das seine elektrochemischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen und im Miniaturmaßstab beibehält. Die Forscher stellen sich vor, dass das neue Design zu ultradünnen Filmen oder Beschichtungen verarbeitet und um Implantate gewickelt werden könnte, um die Elektronik passiv mit Strom zu versorgen, wobei die reichlich vorhandene Glukoseversorgung des Körpers genutzt wird.

„Glukose ist überall im Körper, und die Idee ist, diese leicht verfügbare Energie zu ernten und damit implantierbare Geräte mit Strom zu versorgen“, sagt Philipp Simons, der das Design im Rahmen seiner Promotion entwickelt hat. Doktorarbeit am Department of Materials Science and Engineering (DMSE) des MIT. “In unserer Arbeit zeigen wir eine neue Glukose-Brennstoffzellen-Elektrochemie.”

“Anstatt eine Batterie zu verwenden, die 90 Prozent des Volumens eines Implantats einnehmen kann, könnte man ein Gerät mit einem dünnen Film herstellen, und man hätte eine Stromquelle ohne volumetrischen Platzbedarf”, sagt Jennifer LM Rupp, Simons’ Abschlussarbeit Supervisor und DMSE-Gastprofessor, der auch außerordentlicher Professor für Festkörperelektrolytchemie an der Technischen Universität München in Deutschland ist.

Simons und seine Kollegen beschreiben ihr Design im Journal Fortgeschrittene Werkstoffe. Co-Autoren der Studie sind Rupp, Steven Schenk, Marco Gysel und Lorenz Olbrich.

Eine „harte“ Trennung

Die Inspiration für die neue Brennstoffzelle kam 2016, als Rupp, die auf Keramik und elektrochemische Geräte spezialisiert ist, gegen Ende ihrer Schwangerschaft zu einem routinemäßigen Glukosetest ging.

„In der Arztpraxis war ich ein sehr gelangweilter Elektrochemiker und dachte darüber nach, was man mit Zucker und Elektrochemie machen könnte“, erinnert sich Rupp. “Dann wurde mir klar, dass es gut wäre, ein Glukose-betriebenes Festkörpergerät zu haben. Und Philipp und ich haben uns beim Kaffee getroffen und die ersten Zeichnungen auf eine Serviette geschrieben.”

Das Team ist nicht das erste, das eine Glukose-Brennstoffzelle konzipiert, die ursprünglich in den 1960er Jahren eingeführt wurde und das Potenzial zur Umwandlung der chemischen Energie der Glukose in elektrische Energie zeigte. Aber Glukose-Brennstoffzellen basierten damals auf weichen Polymeren und wurden schnell von Lithium-Jodid-Batterien in den Schatten gestellt, die zur Standardstromquelle für medizinische Implantate, insbesondere für Herzschrittmacher, wurden.

Batterien haben jedoch eine Grenze, wie klein sie hergestellt werden können, da ihr Design die physische Kapazität zum Speichern von Energie erfordert.

“Brennstoffzellen wandeln Energie direkt um, anstatt sie in einem Gerät zu speichern, sodass Sie nicht das gesamte Volumen benötigen, das zum Speichern von Energie in einer Batterie erforderlich ist”, sagt Rupp.

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Glukose-Brennstoffzellen als potenziell kleinere Energiequellen, die direkt durch die reichlich im Körper vorhandene Glukose betrieben werden, erneut unter die Lupe genommen.

Das Grunddesign einer Glukose-Brennstoffzelle besteht aus drei Schichten: einer oberen Anode, einem mittleren Elektrolyten und einer unteren Kathode. Die Anode reagiert mit Glukose in Körperflüssigkeiten und wandelt den Zucker in Gluconsäure um. Diese elektrochemische Umwandlung setzt ein Paar Protonen und ein Paar Elektronen frei. Der mittlere Elektrolyt trennt die Protonen von den Elektronen und leitet die Protonen durch die Brennstoffzelle, wo sie sich mit Luft verbinden, um Wassermoleküle zu bilden – ein harmloses Nebenprodukt, das mit der Körperflüssigkeit abfließt. Währenddessen fließen die isolierten Elektronen zu einem externen Stromkreis, wo sie zur Stromversorgung eines elektronischen Geräts verwendet werden können.

Das Team versuchte, bestehende Materialien und Konstruktionen zu verbessern, indem es die Elektrolytschicht modifizierte, die häufig aus Polymeren besteht. Aber Polymereigenschaften, zusammen mit ihrer Fähigkeit, Protonen zu leiten, werden bei hohen Temperaturen leicht abgebaut, sind schwierig beizubehalten, wenn sie auf die Dimension von Nanometern herunterskaliert werden, und sind schwer zu sterilisieren. Die Forscher fragten sich, ob eine Keramik – ein hitzebeständiges Material, das von Natur aus Protonen leiten kann – zu einem Elektrolyten für Glukose-Brennstoffzellen verarbeitet werden könnte.

„Wenn Sie an Keramik für eine solche Glukose-Brennstoffzelle denken, haben sie den Vorteil der Langzeitstabilität, der geringen Skalierbarkeit und der Integration von Siliziumchips“, sagt Rupp. “Sie sind hart und robust.”

Ultradünne Brennstoffzelle nutzt körpereigenen Zucker zur Stromerzeugung

Benutzerdefinierter experimenteller Aufbau zur Charakterisierung von 30 Glukose-Brennstoffzellen in schneller Folge. Bildnachweis: Kent Dayton

Spitzenleistung

Die Forscher entwarfen eine Glukose-Brennstoffzelle mit einem Elektrolyten aus Ceroxid, einem keramischen Material, das eine hohe Ionenleitfähigkeit besitzt, mechanisch robust ist und als solches als Elektrolyt in Wasserstoff-Brennstoffzellen weit verbreitet ist. Es hat sich auch als biokompatibel erwiesen.

“Ceria wird in der Krebsforschungsgemeinschaft aktiv untersucht”, bemerkt Simons. “Es ähnelt auch Zirkonoxid, das in Zahnimplantaten verwendet wird, und ist biokompatibel und sicher.”

Das Team schloss den Elektrolyten mit einer Anode und einer Kathode aus Platin ein, einem stabilen Material, das leicht mit Glukose reagiert. Sie stellten 150 einzelne Glukosebrennstoffzellen auf einem Chip her, jede etwa 400 Nanometer dünn und etwa 300 Mikrometer breit (etwa die Breite von 30 menschlichen Haaren). Sie strukturierten die Zellen auf Siliziumwafern und zeigten, dass die Geräte mit einem gemeinsamen Halbleitermaterial gepaart werden können. Dann maßen sie den Strom, der von jeder Zelle erzeugt wurde, während sie eine Glukoselösung über jeden Wafer in einer speziell angefertigten Teststation fließen ließen.

Sie fanden heraus, dass viele Zellen eine Spitzenspannung von etwa 80 Millivolt erzeugten. Angesichts der winzigen Größe jeder Zelle ist diese Leistung die höchste Leistungsdichte aller bestehenden Glukose-Brennstoffzellen-Designs.

„Aufregend ist, dass wir in der Lage sind, ausreichend Leistung und Strom zu ziehen, um implantierbare Geräte mit Strom zu versorgen“, sagt Simons.

“Es ist das erste Mal, dass die Protonenleitung in elektrokeramischen Materialien für die Umwandlung von Glukose in Strom genutzt werden kann, was eine neue Art der Elektrochemie definiert”, sagt Rupp. “Es erweitert die materiellen Anwendungsfälle von Wasserstoff-Brennstoffzellen auf neue, aufregende Glukose-Umwandlungsmodi.”

Die Forscher “haben einen neuen Weg zu Miniaturstromquellen für implantierte Sensoren und möglicherweise andere Funktionen eröffnet”, sagt Truls Norby, Professor für Chemie an der Universität Oslo in Norwegen, der nicht zu der Arbeit beigetragen hat. “Die verwendeten Keramiken sind ungiftig, billig und nicht zuletzt inert sowohl gegenüber den Bedingungen im Körper als auch gegenüber den Sterilisationsbedingungen vor der Implantation. Das bisherige Konzept und die Demonstration sind in der Tat vielversprechend.”


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Mehr Informationen:
Philipp Simons et al, A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202109075

Bereitgestellt vom Massachusetts Institute of Technology

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Website, die Neuigkeiten über MIT-Forschung, -Innovation und -Lehre enthält.

Zitat: Ultradünne Brennstoffzelle verwendet körpereigenen Zucker zur Stromerzeugung (2022, 13. Mai), abgerufen am 14. Mai 2022 von https://techxplore.com/news/2022-05-ultrathin-fuel-cell-body-sugar.html

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