Desenvolvimento de bioânodos para oxidação de peróxido de hidrogênio com potencial para aplicação em biocélulas a combustível

Abstract

As células diretas de etanol (DAFC do inglês Direct Alcohol Fuel Cell) são uma alternativa bastante promissora na aplicação de energias renováveis, graças à longa expertise em toda a cadeia produtiva e de distribuição do etanol no Brasil. Mas apesar desta grande vantagem, seu uso ainda se encontra fortemente comprometido devido a reações paralelas indesejáveis que podem levar à inativação total do catalisador de platina. Assim, o objetivo deste trabalho, como contraproposta a esta problemática, foi desenvolver bioânodos baseados na enzima catalase, com potencial para serem aplicados em biocélulas a combustível. A capacidade de transferência eletrônica direta destes bioânodos foi avaliada a partir da adição de substâncias condutoras como líquidos iônicos próticos (LIPs) e grafite; além de serem testadas duas metodologias de imobilização; layer by layer combinada com deposição eletroquímica e entrecruzamento da enzima sem suporte do tipo CLEA (do inglês, cross-linked enzyme agregates). Todos os LIPs utilizados (série do [m-2HEA+] e o [PEHA][Ac]) foram caracterizados físicoquimicamente e seu efeito na atividade e solubilidade da catalase foi avaliado. A partir destes resultados uma série de Hofmeister foi construída encontrando que o LIP com ânion acetato é o mais adequado para manter e até melhorar a estabilidade e atividade da enzima. Como resultado do uso das técnicas combinadas de imobilização, foi obtido o bioeletrodo CV/([PEHA][Ac]/CAT)5 e avaliado eletroquimicamente. A partir do método CLEA, foram construídos quatro bioeletrodos com catalase (CAT-I, CAT-G, CAT- [PEHA][Ac] e CAT-mA). Nestes, avaliou-se a adição de dois LIPs ([m-2HEA][Ac] e [PEHA][Ac]) ancorados ao sistema imobilizado. Igualmente, o efeito do grafite foi avaliado sendo o mesmo ancorado em outro bioeletrodo com catalase. Estes bioeletrodos foram caracterizados física e físico-quimicamente e sua resposta eletroquímica foi avaliada frente ao substrato H2O2. Com estes bioeletrodos, parâmetros cinéticos foram obtidos e os mesmos comparados com resultados encontrados na literatura para outros bioeletrodos. Encontrou-se que os LIPs favorecem o processo de transferência eletrônica e o microambiente da enzima. Em geral, apresentaram parâmetros cinéticos melhores quando comparados com líquidos iônicos apróticos e até competitivos com bioeletrodos a base de materiais nanocarbonáceos. Consequentemente, os bioeletrodos a base de catalase e construídos pelas metodologias de imobilização desenvolvidas neste trabalho, se encontraram promissores para aplicação na construção de biocélulas a combustível.

Direct Alcohol Fuel Cells (DAFC) are a very promising alternative in the application of renewable energies, with great expertise in the entire ethanol production and distribution chain in Brazil. But despite this great advantage, the use of this technology is still strongly compromised due to undesirable parallel reactions that may lead to the total inactivation of the platinum catalyst. Thus, the objective of this work, as a counterproposal to this problem, was to develop bioanodes based on the catalase enzyme, with potential to be applied in biofuel cells. The direct electron transfer capability of these bioanodes was evaluated by the addition of conductive substances such as protic ionic liquids (PILs) and graphite; besides being tested two methodologies of immobilization; layer by layer combined with electrochemical deposition and cross-linking of the non-supported enzyme called CLEA (cross-linked enzyme aggregates). All the PILs used (series of [m- 2HEA +] and [PEHA] [Ac]) were physicochemically characterized and their effect on catalase activity and solubility was evaluated. From these results a series of Hofmeister was constructed finding that the PIL with anion acetate is the most suitable to maintain and even improve the stability and activity of the enzyme. As a result of the use of the combined immobilization techniques, the bioelectrode CV/([PEHA][Ac]/CAT)5 was obtained and electrochemically evaluated. From the CLEA method, four catalysts were constructed with catalase (CAT-I, CAT-G, CAT-[PEHA][Ac] and CAT-mA). In these, an addition of two PILs ([m-2HEA] [Ac] and [PEHA] [Ac]) anchored to the immobilized system was evaluated. Likewise, the effect of the graphite was evaluated, being the same anchored in another bioelectrode with catalase. These bioelectrodes were characterized physically and physico-chemically and their electrochemical response was evaluated against the H2O2 substrate. With these bioelectrodes, kinetic parameters were obtained and compared with results in the literature for other bioelectrodes. It has been found that PILs favor the electronic transfer process and the microenvironment of the enzyme. In general, they presented better kinetic parameters when compared with aprotic ionic liquids and competitive results with bioelectrodes based on nanocarbonaceous materials. Consequently, the bioelectrodes based on catalase and constructed by the immobilization methodologies developed in this work, have found promising for application in the construction of biofuel cells.