Einführung einer Glukose-Brennstoffzelle, die Zucker in Strom umwandelt

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Sensoren zur Messung von Vitalfunktionen, Elektroden für die Tiefenhirnstimulation bei der Behandlung der Parkinson-Krankheit oder Herzschrittmacher benötigen Stromquellen, die sowohl zuverlässig als auch kompakt sind. Da Batterien jedoch eine bestimmte Kapazität zum Speichern von Energie benötigen, sind ihrer Baugröße Grenzen gesetzt.

Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine nur 400 Nanometer dünne Glukose-Brennstoffzelle entwickelt. Diese Glukose-Brennstoffzelle erzeugt Strom aus körpereigenem Zucker als Energiequelle für medizinische Implantate.

Jennifer Rupp, Professorin für Chemie von Festkörperelektrolyten an der TUM, sagte: „Anstatt eine Batterie zu verwenden, die 90 Prozent des Volumens eines Implantats ausmacht, kann unser Gerät als dünner Film auf einem Siliziumchip oder in Zukunft vielleicht sogar auf der Oberfläche des Implantats selbst befestigt werden.“

Die Glucose-Brennstoffzelle umfasst eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytschicht. Glukose aus dem Körper wird in Gluconsäure umgewandelt, die an der Anode Protonen freisetzt. Diese Protonen werden vom Elektrolyten durch die Brennstoffzelle zur Kathode transportiert, wo sie sich mit Luft zu Wassermolekülen rekombinieren. Elektronen gehen durch einen externen Stromkreis, um ein elektronisches Gerät mit Strom zu versorgen.

Dr. Philipp Simons vom MIT sagte: „Die Verwendung von Glukose-Brennstoffzellen als Energiequelle ist nicht neu: Bisherige Geräte verwendeten eine Kunststoff-Elektrolytschicht. Da Kunststoffmaterialien nicht mit gängigen Produktionsprozessen in der Halbleiterindustrie kompatibel sind, ist es schwierig, sie auf modernen Siliziumchips in medizinischen Implantaten anzuwenden. Dafür werden harte Materialien benötigt. Ein weiterer Nachteil der kunststoffbasierten Elektrolyte ist, dass die Polymere des Kunststoffs beim Sterilisieren der Implantate teilweise beschädigt wurden.“

Die Wissenschaftler verwendeten daher keramische Elektrolyte für ihre neue Brennstoffzelle. Die Keramik ließ sich leicht miniaturisieren und auf einem Siliziumchip integrieren und war biokompatibel. Außerdem hält es hohen Temperaturen stand.

Wissenschaftler erstellten 150 Glukose-Brennstoffzellen auf einem Chip. Sie montierten die Zellen auf Siliziumwafern, was darauf hindeutet, dass das Gerät mit einem herkömmlichen Halbleitermaterial kombiniert werden könnte. Dann lassen sie eine Glukoselösung über die Waffel fließen.

Viele der Zellen erzeugten eine Spitzenspannung von etwa 80 Millivolt, genug, um beispielsweise Sensoren und viele andere elektronische Geräte für Implantate mit Strom zu versorgen. Angesichts der winzigen Größe jeder Zelle ist dies die bisher höchste Leistungsdichte aller Glucose-Brennstoffzellen-Designs.

Rupp genannt, „Dies ist das erste Mal, dass die Protonenleitung in elektrokeramischen Materialien erfolgreich Glukose in Strom umgewandelt hat.“

Zeitschriftenreferenz:

  1. Philipp Simons, Steven A. Schenk, Marco A. Gysel, Lorenz F. Olbrich, Jennifer LM Rupp: A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics, Advanced Materials, April 2022. DOI: 10.1002/adma.202109075
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