Bioelectrochemical and bioinspired energy conversion systems: from heterogeneous and extracellular electron transfer to applications in aqueous batteries and biofuel cells

Autor(es)

Graziela Cristina Sedenho

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Carlos.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Instituto de Química de São Carlos (IQSC/BT)
• Data de defesa: 2021-02-25

Membros da banca

Frank Nelson Crespilho; Ana Flavia Nogueira; Marcos Jose Leite Santos; Nelson Ramos Stradiotto; Susana Ines Cordoba de Torresi

• Orientador: Frank Nelson Crespilho

Resumo

Se ponderarmos que parte da respiração celular é um modelo de obtenção de energia, vislumbra-se que os sistemas bioeletroquímicos naturais podem ser mimetizados para a obtenção sustentável de eletricidade, como em biocélulas a combustível (BCC) e baterias aquosas. Baseado nisso, consideram-se quatro tópicos inseridos no estado-da-arte em a conversão eletroquímica de energia: (i) a estrutura da interface eletrodo-eletrólito; (ii) a utilização de moléculas bioinspiradas em bateria semi-sólida aquosa; (iii) o uso de biocatalisadores em eletrodos de alto desempenho; e (iv) o emprego de microrganismos como entidades autônomas para conversão de energia contida em substratos orgânicos. Assim, esta Tese de Doutorado explora estes quatro tópicos em capítulos independentes, mas complementares, a ver: o estudo detalhado do efeito da estrutura e da composição de eletrodos de carbono na eletroquímica de quinonas utilizadas em baterias de fluxo redox aquosas-orgânicas e em BCC (Cap. I); o desenvolvimento de uma microbateria aquosa, semi-sólida, não corrosiva e de baixa toxicidade (Cap. II); a utilização da enzima bilirrubina oxidase (BOD) em eletrodo de difusão de gás (EDG) para redução de O2 à água (Cap. III); e a aplicação da Saccharomyces cerevisiae na conversão de energia química contida em carboidratos em eletricidade (Cap. IV). Concluiu-se que defeitos do tipo borda e grupos funcionais oxigenados, como C-O e C=O, são cruciais para obtenção de eletrodos de carbono de alto desempenho em sistemas de conversão de energia. De fato, quando eletrodos de fibras flexíveis de carbono com estas propriedades são empregados em microbaterias aquosas semi-sólidas, com moléculas redox orgânicas e organometálicas em hidrogel de agarose, obteve-se uma capacidade de 0,79 mA h, capaz de atender às necessidades de pequenos dispositivos biomédicos. No caso da biocatálise para redução de O2 à água, os resultados mostram que a incorporação da BOD em matriz de biogel em EDG pode gerar correntes de 1,52 mA cm-2 e estabilidade operacional sem precedentes, contribuindo na superação de pontos críticos para a aplicação prática de BCCs. Por fim, apresenta-se uma proposta de mecanismo de transferência extracelular de elétrons da Saccharomyces cerevisiae aplicada em BCC microbiológica. Verificou-se, pela primeira vez, que o filme de substâncias poliméricas extracelulares secretado pela levedura confina flavoproteínas que trocam carga com o eletrodo. Portanto, os resultados apresentados cooperam para o avanço na área de sistemas bioeletroquímicos e bioinspirados de conversão de energia, contribuindo na superação de pontos críticos e elucidando questões fundamentais dessa área. (AU)

• Processo FAPESP: 15/22973-6 - Desenvolvimento de Biocélulas a Combustível Microbiológicas para Bioprodução e Oxidação de Etanol
• Beneficiário: Graziela Cristina Sedenho
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado