Syanobakteeriaurinkokennon elektronisiirron optimoiminen AP-VPP-PEDOT-ohutkalvoilla
Hautala, Emilia (2024-03-19)
Syanobakteeriaurinkokennon elektronisiirron optimoiminen AP-VPP-PEDOT-ohutkalvoilla
(19.03.2024)
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
avoin
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024041217112
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024041217112
Tiivistelmä
Yhteyttäessään omavaraiset eliöt kuten syanobakteerit tuottavat energeettisiä elektroneja veden hajoamisprosessissa. Näitä elektroneja on mahdollista johtaa ulkoiseen virtapiiriin sähköisenä energiana bioaurinkokennoissa. Toisin kuin toisen varaisia mikrobeja virrantuotantoon valjastavat biopolttokennot, bioaurinkokennot eivät vaadi orgaanisen hiilen lisäämistä systeemiin, vaan aurinkokenno toimii pelkällä valolla, hiilidioksidilla, vedellä ja ravinteilla. Tämän lisäksi elävät solut pystyvät korjaamaan valoenergian muodostamien radikaalien aiheuttamaa vahinkoa soluelimissään pidentäen kennon käyttöikää.
Tällä hetkellä bioaurinkokennokehityksen suurin haaste on elektroninsiirron tehottomuus elävästä solusta anodimateriaalille. Anodilla on suuri merkitys, sillä sen on oltava läpinäkyvä, erittäin johtava sekä pinnan ominaisuuksiltaan solujen kiinnittymistä edistävä, jotta vuorovaikutus yhteyttävien solujen ja anodin välillä on mahdollisimman tehokasta. Höyryfaasipolymerisoidulla poly(3,4-etyleenidioksitiofeenilla) (PEDOT) on korkean transmittanssin ja matalan pintaresistanssin lisäksi hyvä bioyhteensopivuus, joustavuus ja vakaus. Lisäksi PEDOT-ohutkalvo voidaan valmistaa monenlaisten substraattimateriaalien pinnalle höyryfaasipolymerisaatiolla ilmanpaineessa (AP-VPP) ilman suuria rajoituksia pinnanmuodoille ja riippumatta materiaalin sähkönjohtavuudesta. PEDOT on bioyhteensopivaa ja orgaanisena materiaalina sen käyttö bioaurinkokennossa edistää kennon kierrätettävyyttä. Sen lisäksi, että PEDOTin johtavuusominaisuudet orgaanisena materiaalina ovat erinomaiset, siitä on mahdollista valmistaa AP-VPP-menetelmällä hyvin läpinäkyvä ja tasainen ohutkalvo. AP-VPP:ssa ei ole tarvetta äärimmäisille reaktio-olosuhteille eikä vaarallisten orgaanisten liuottimien käytölle. Lisäksi kustannuksia ja ympäristörasitteita pystytään laskemaan.
Työn tarkoitus oli tutkia sileäpintaisen PEDOT-ohutkalvon ja syanobakteerien välistä elektroninsiirtoa ja kehittää sitä. Bioaurinkokennon toimintaa mallinsi mittauksissa sähkökemiallinen kenno, jossa työelektrodina toimi lasisubstraatille valmistettu tosylaatilla (TOS) seostettu PEDOT-ohutkalvo ja yhteyttävänä kerroksena syanobakteerit (Synechocystis sp. PCC 6803). Elektrolyytiksi valittiin syanobakteerien ravinneliuoksena ja kasvatusympäristönä käytettävä BG11-liuos, jotta mikrobien elinolosuhteet olivat mahdollisimman hyvällä tasolla mittausten aikana. Kerros valmistettiin laskeuttamalla syanobakteerit kerrokseksi anodin pinnalle elektrolyytissä.
PEDOT:TOS-anodin ja syanobakteerien välistä elektroninsiirtoa tutkittiin sähkökemiallisilla mittauksilla. Lisäksi myös hyvin laajasti läpinäkyvänä elektrodina käytettävällä indiumtinaoksidi (ITO) -elektrodilla tehtiin mittauksia vertailukohtana PEDOT:ille. Kronoamperometrialla (CA) mitattiin syanobakteerikerroksen muodostamat virtavasteet valoaltistuksessa. Mittauksilla tutkittiin eroja virtavasteessa pimeän ja valoaltistuksen välillä siten, että valo- ja pimeäjaksoja vuoroteltiin mittauksien aikana eri vakiopotentiaaleissa. Valo ohjattiin kennoon PEDOT:TOS-ohutkalvon läpi joko sinisen valon 460 nm ja tummanpunaisen valon 660 nm aallonpituuksilla, joiden tiedetään aktivoivan fotosysteemi I ja II -reaktiokeskuksia. Johtuen potentiaalialueesta 0,1–0,5 V, joissa CA-mittaukset tehtiin, PEDOT:TOS-kalvo kuitenkin absorboi tummanpunaista valon aallonpituutta enemmän kuin oli huomioitu pienentäen syanobakteerien valoaltistusta. Tämä heijastui virtatiheystuotannoissa, jotka laskettiin valovasteen ja pimeäjakson virtatiheyden erotuksena. Lopulta parhaimmat tulokset kuitenkin saavutettiin 660 nm aallonpituudella välittäjäaineen tehostamana, kun taas ilman välittäjäaineita virtatiheydet 460 nm aallonpituudella olivat paljon suuremmat. PEDOT:TOS-kalvon johtavuusominaisuuksia sekä vakautta valoaltistuksessa mitattiin syklisen voltammetrian (CV) avulla. CV-mittauksilla myös BG11-liuoksen sähkökemiallinen sopivuus elektrolyytiksi todettiin riittäväksi.
Tällä hetkellä bioaurinkokennokehityksen suurin haaste on elektroninsiirron tehottomuus elävästä solusta anodimateriaalille. Anodilla on suuri merkitys, sillä sen on oltava läpinäkyvä, erittäin johtava sekä pinnan ominaisuuksiltaan solujen kiinnittymistä edistävä, jotta vuorovaikutus yhteyttävien solujen ja anodin välillä on mahdollisimman tehokasta. Höyryfaasipolymerisoidulla poly(3,4-etyleenidioksitiofeenilla) (PEDOT) on korkean transmittanssin ja matalan pintaresistanssin lisäksi hyvä bioyhteensopivuus, joustavuus ja vakaus. Lisäksi PEDOT-ohutkalvo voidaan valmistaa monenlaisten substraattimateriaalien pinnalle höyryfaasipolymerisaatiolla ilmanpaineessa (AP-VPP) ilman suuria rajoituksia pinnanmuodoille ja riippumatta materiaalin sähkönjohtavuudesta. PEDOT on bioyhteensopivaa ja orgaanisena materiaalina sen käyttö bioaurinkokennossa edistää kennon kierrätettävyyttä. Sen lisäksi, että PEDOTin johtavuusominaisuudet orgaanisena materiaalina ovat erinomaiset, siitä on mahdollista valmistaa AP-VPP-menetelmällä hyvin läpinäkyvä ja tasainen ohutkalvo. AP-VPP:ssa ei ole tarvetta äärimmäisille reaktio-olosuhteille eikä vaarallisten orgaanisten liuottimien käytölle. Lisäksi kustannuksia ja ympäristörasitteita pystytään laskemaan.
Työn tarkoitus oli tutkia sileäpintaisen PEDOT-ohutkalvon ja syanobakteerien välistä elektroninsiirtoa ja kehittää sitä. Bioaurinkokennon toimintaa mallinsi mittauksissa sähkökemiallinen kenno, jossa työelektrodina toimi lasisubstraatille valmistettu tosylaatilla (TOS) seostettu PEDOT-ohutkalvo ja yhteyttävänä kerroksena syanobakteerit (Synechocystis sp. PCC 6803). Elektrolyytiksi valittiin syanobakteerien ravinneliuoksena ja kasvatusympäristönä käytettävä BG11-liuos, jotta mikrobien elinolosuhteet olivat mahdollisimman hyvällä tasolla mittausten aikana. Kerros valmistettiin laskeuttamalla syanobakteerit kerrokseksi anodin pinnalle elektrolyytissä.
PEDOT:TOS-anodin ja syanobakteerien välistä elektroninsiirtoa tutkittiin sähkökemiallisilla mittauksilla. Lisäksi myös hyvin laajasti läpinäkyvänä elektrodina käytettävällä indiumtinaoksidi (ITO) -elektrodilla tehtiin mittauksia vertailukohtana PEDOT:ille. Kronoamperometrialla (CA) mitattiin syanobakteerikerroksen muodostamat virtavasteet valoaltistuksessa. Mittauksilla tutkittiin eroja virtavasteessa pimeän ja valoaltistuksen välillä siten, että valo- ja pimeäjaksoja vuoroteltiin mittauksien aikana eri vakiopotentiaaleissa. Valo ohjattiin kennoon PEDOT:TOS-ohutkalvon läpi joko sinisen valon 460 nm ja tummanpunaisen valon 660 nm aallonpituuksilla, joiden tiedetään aktivoivan fotosysteemi I ja II -reaktiokeskuksia. Johtuen potentiaalialueesta 0,1–0,5 V, joissa CA-mittaukset tehtiin, PEDOT:TOS-kalvo kuitenkin absorboi tummanpunaista valon aallonpituutta enemmän kuin oli huomioitu pienentäen syanobakteerien valoaltistusta. Tämä heijastui virtatiheystuotannoissa, jotka laskettiin valovasteen ja pimeäjakson virtatiheyden erotuksena. Lopulta parhaimmat tulokset kuitenkin saavutettiin 660 nm aallonpituudella välittäjäaineen tehostamana, kun taas ilman välittäjäaineita virtatiheydet 460 nm aallonpituudella olivat paljon suuremmat. PEDOT:TOS-kalvon johtavuusominaisuuksia sekä vakautta valoaltistuksessa mitattiin syklisen voltammetrian (CV) avulla. CV-mittauksilla myös BG11-liuoksen sähkökemiallinen sopivuus elektrolyytiksi todettiin riittäväksi.