Bioeletrodos enzimáticos aplicados em biocélulas a combustível: simulação e experimental

Resumo

Biocélulas a combustível (BCs) são dispositivos bioeletroquímicos que convertem diretamente energia química em energia elétrica por meio de reações biocatalíticas de oxidação e redução. No caso das BCs do tipo enzimática, enzimas são utilizadas na superfície catódica e/ou anódica e são responsáveis por acelerar a conversão dos substratos em produtos provenientes do processo redox. As leis cinéticas que regem a eletroquímica em bioeletrodos podem ser divididas em dois processos. O primeiro, chamado de biocatalítico, é resultante da derivação da cinética de Michaelis-Menten ou Não-Michaeliana, fornecendo a informação sobre a taxa de substrato (combustível ou agente oxidante) consumido; o segundo processo, denominado não-catalítico ou pós-biocatálise, ocorre a transferência heterogênea de carga do cofator enzimático para superfície eletródica, cujo o mecanismo pode ser derivado da teoria de Marcus-Hush ou do formalismo de Butler-Volmer, fornecendo a informação acerca da velocidade com que a carga é transferida à superfície eletródica. Hoje já se sabe que a estrutura molecular da enzima, sua orientação no espaço e a natureza dos materiais que compõe a superfície eletródica influenciam tanto a constante heterogênea de transferência de carga (kET) quanto a constante catalítica (Kcat) enzimática. Vários métodos de imobilização enzimática e configurações de materiais em eletrodos sólidos vêm sendo propostos na literatura para a maximização destas duas constantes. No entanto, a maioria dos trabalhos na área negligenciam a modelagem desses dois processos e poucos deles fazem alusão ao cálculo acurado dessas duas constantes. Assim, neste projeto de pesquisa, pretende-se avaliar kET e Kcat para diferentes configurações de bioeletrodos, utilizando as enzimas citocromo c, glicose oxidase e glicose desidrogenase operando em meias-celas para aplicação em BCs. Nanopartículas de ouro, grafeno e mediadores de elétrons orgânicos (por exemplo verde de metileno) serão utilizados em diferentes configurações com as enzimas supracitadas e suportadas em eletrodos de fibra flexível de carbono, carbono vítreo e ouro. Pretende-se modelar a cinética enzimática, assim como aplicar a teoria de Marcus-Hush comparada com a aproximação de Butler-Volmer para transferência heterogênea de carga enzima-eletrodo. Os resultados da simulação numérica serão comparados com os resultados experimentais. Espera-se que, com diferentes tipos de materiais suportados em diferentes tipos de eletrodos, as respostas bioeletrocatalíticas possam ser influenciadas e, assim, informações valiosas sobre a performance dos bioeletrodos aplicados em BCs poderão ser obtidas. (AU)