Использование ферментов в топливных элементах вместо платины не только позволит удешевить топливные элементы, но и представляет возможность создания биодеградабельных источников энергии. Впервые возможность прямого переноса электронов гидрогеназой на электрод была продемонстрирована в СССР (doi:10.1016/0302-4598(84)87009-9). Долгое время токи у таких электродов величиной 1 мА/см2 считались высокими. Лишь в 2014 г было показано, что иммобилизованная на электрод гидрогеназа Citrobacter sp S-77 при омовении молекулярным водородом без раствора не только способна к прямому переносу электронов, но и обладает каталитической активностью выше платины (doi:10.1002/anie.201404701). Последние годы гидрогеназа на сухом электроде и при продувке молекулярным водородом активно исследуется в ряде лабораторий. Появились публикации, в которых гидрогеназный электрод изучается непосредственно в топливном элементе, а не в ячейке с трехэлектродной схемой включения. В некоторых из них токи достигали 14 мА/см2. При этом иммобилизацию фермента осуществляли в проводящую матрицу без учета ориентации фермента (doi: 10.1002/chem.202000750), активировали поверхность электрода полимерами виологена с иммобилизацией гидрогеназы за счет электростатического взаимодействия (doi: 10.1038/s41467-018-07137-6; 10.1002/cssc.20200099) или использовали активированные нанотрубки, к которым ковалентно прикрепляли гидрогеназу (doi: 10.1021/acscatal.8b00708).

HydSL гидрогеназа Thiocapsa bogorovii - термостабильный фермент, что особенно ценно для практического использования. При этом С-конец малой субъединицы, судя по гомологичному моделированию, представляет собой трансмембранную альфа-спираль (doi: 10.1016/j.bbabio.2021.148492). Нами разработана методика ориентированной иммобилизации HydSL гидрогеназы, основанная на гидрофобном взаимодействии С-конца HydS и гидрофобного углеродного нанопорошка Vulkan R72. Электроды с иммобилизованной таким образом гидрогеназой, установленные в топливный элемент с платиновым кислородным электродом, развивали токи до 12 мА/см2 при мощности более 7 мВт/см2.

В докладе рассматриваются особенности различных типов иммобилизации гидрогеназ и возможности дальнейшего увеличения плотности тока.

Работа поддержана грантом РНФ 19-14-00255.

Application of enzymes in fuel cells instead of noble metals would allow construction of cheap fuel cells. Furthermore, such fuel cells are biodegradable. The possibility of direct electron transfer from hydrogen to electrode by hydrogenase was demonstrated for the first time in USSR (doi:10.1016/0302-4598(84)87009-9). For a long time currents of such electrodes around 1 mA/cm2 were accounted as high density currents. However, in 2014 the hydrogenase from Citrobacter sp S-77 immobilized on dry electrode (gas-breathing electrode) surpassed platinum in electrocatalitic activity (doi:10.1002/anie.201404701). Last years hydrogenase immobilized on air-breathing electrode actively studied in different laboratories. In some reports currents as high as 14 mA/cm2 were shown. Different groups immobilized hydrogenase on electrode using conductive matrix without orientation of hydrogenase (doi: 10.1002/chem.202000750), using electrodes activated by conductive viologen polymers due to electrostatic interaction of hydrogenase and electrode surface (doi: 10.1038/s41467-018-07137-6; 10.1002/cssc.20200099), or using activated nanotubes with covalent attachment of hydrogenase (doi: 10.1021/acscatal.8b00708).

HydSL hydrogenase of Thiocapsa bogorovii is thermostable enzyme and that is why it is very attractive for practical application in fuel cells. In accordance with homology modeling C-terminus of small subunit, HydS, is transmembrane alpha helix (doi: 10.1016/j.bbabio.2021.148492). We developed an approach of HydSL oriented immobilization based on hydrophobic interaction of HydS C-terminus and carbon nanocarbon powder Vulkan R72. Electrodes with immobilized HydSL hydrogenase were installed in gas-breathing fuel cell and developed up to 12 mA/cm2 current at power more than 7 mW/cm2.

In the presentation the peculiarities of different methods of immobilization as well as ways for current density improvement are discussed.

The work was supported by RNF grant 19-14-00255.