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Nov 06, 2023

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Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14649 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

En este estudio, el rendimiento de una celda de biocombustible serigrafiada a base de papel con electrodos de carbono con plantilla de MgO (MgOC) mesoporosos se mejoró en dos pasos. Primero, se agregó una pequeña cantidad de carboximetilcelulosa (CMC) a la tinta de MgOC. A continuación, el cátodo se modificó con bilirrubina antes de inmovilizar la bilirrubina oxidasa (BOD). La CMC aumentó la accesibilidad de los mesoporos del MgOC y, posteriormente, el rendimiento tanto del bioánodo como del biocátodo. Es probable que la CMC también haya aumentado la estabilidad de los electrodos. La premodificación con bilirrubina mejoró la orientación de la DBO, lo que facilitó la transferencia directa de electrones. Con estos dos pasos, se logró un potencial de circuito abierto de 0,65 V, una densidad de corriente máxima de 1,94 mA cm-2 y una densidad de potencia máxima de 465 μW cm-2 con lactato oxidasa como enzima bioánodo y lactato como combustible. Este es uno de los rendimientos más altos reportados para una celda de biocombustible.

Los materiales de carbono mesoporoso son uno de los materiales más atractivos para la fabricación de dispositivos bioelectroquímicos como biosensores y celdas de biocombustible1,2,3. Estos materiales combinan alta conductividad, alta área superficial y excelente biocompatibilidad, son excelentes para electrodos y matrices para la inmovilización de enzimas. Yang et al. informaron una mayor estabilidad de la temperatura y el pH cuando la glucosa oxidasa se inmovilizó en carbono mesoporoso ordenado4. Entre los diferentes tipos de materiales de carbono mesoporosos se encuentran los carbonos con plantilla de óxido. El tamaño de poro de los carbones con plantilla de óxido se puede controlar controlando el tamaño de la plantilla de óxido5,6,7,8,9. Uno de estos carbonos con plantilla de óxido es el carbono con plantilla de MgO (MgOC), que está disponible comercialmente5,6. Se ha investigado el efecto del tamaño de poro del MgOC sobre la electroquímica directa para la D-fructosa deshidrogenasa10 y la bilirrubina oxidasa (DBO)11,12. Además, las celdas de biocombustible (BFC) fabricadas con tela de carbón modificada con tinta MgOC tenían una salida de alta potencia de 2 mW cm-213 y 4,3 mW cm-214 con glucosa deshidrogenasa (GDH) y lactato oxidasa (LOx) como enzimas, respectivamente.

Una tinta de MgOC es también el primer paso en la fabricación de un electrodo de MgOC serigrafiado. El material de carbón conductor en las tintas de serigrafía debe dispersarse uniformemente bajo el esfuerzo cortante aplicado durante la impresión. Una dispersión desigual puede conducir a un electrodo parcialmente frágil (donde hay muy poco aglomerante presente) y/o una resistencia parcialmente aumentada (donde hay demasiado aglutinante presente). Una mayor dispersión también puede dar lugar a un mayor grado de porosidad, ya que la probabilidad de formación de grumos es menor. Pequeñas cantidades de aditivos pueden mejorar la dispersión de la tinta sin interferir con la conductividad y, por lo tanto, con la calidad y la reproducibilidad del electrodo impreso. Sin embargo, aunque se han utilizado materiales biocompatibles y sostenibles, como la carboximetilcelulosa (CMC), como dispersantes para materiales de carbono15, no se han considerado dispersantes para tintas de MgOC para serigrafía.

Los electrodos serigrafiados son prometedores para la fabricación de biosensores portátiles, especialmente para aplicaciones sanitarias16,17,18. Los biosensores portátiles están recibiendo una atención significativa en los últimos años debido a la tendencia de una gestión de la salud de los pacientes más personalizada y en tiempo real, así como a un seguimiento más cercano y basado en datos de la condición física de los profesionales de alto rendimiento, como los atletas. y bomberos. Del mismo modo, los BFC portátiles también están recibiendo una atención considerable, tanto como recolectores de energía como sensores autoalimentados19,20,21,22. Como recolectores de energía, los BFC portátiles recolectan energía de la glucosa o el lactato contenido en los fluidos corporales para alimentar pequeños dispositivos. Los BFC portátiles como sensores autoalimentados utilizan el hecho de que la energía recolectada de la glucosa o el lactato en cualquier momento depende de la concentración del combustible respectivo. Los sensores autoalimentados no requieren una fuente de energía para el dispositivo de detección. Algunos ejemplos de biosensores portátiles y BFC están integrados en la almohadilla nasal de los anteojos23, microfluidos fabricados a partir de un material blando24,25, fabricados en una película delgada y flexible25,26, tipo tatuaje27, con base textil28,29 y con base de papel30,31 ,32.

Los dispositivos basados ​​en papel también integran el efecto absorbente del papel y pueden trabajar con pequeños volúmenes de muestra. del Torno-de Román et al. utilizó papel como sistema de suministro de combustible y logró una densidad de potencia de hasta 37,5 μW cm−2 con glucosa 5 mM33. Lau et al. usó papel de filtro para el suministro de combustible y fibra de carbono o papel de nanotubos de carbono para los bioelectrodos y logró una densidad de potencia de 35,5 μW cm−2 con oxidación de 4 electrones tipo cascada de etanol y 26,9 μW cm−2 con formiato, formaldehído y metanol como combustible y tres enzimas en cascada34. Rewatkar et al. también utilizó papel de filtro para el suministro de combustible y papel de nanotubos de carbono de paredes múltiples para los bioelectrodos y logró una densidad de potencia de 46,4 μW cm−2 con glucosa 30 mM como combustible en una configuración de serie de 4 celdas35.

Nuestro grupo ha desarrollado varios BFC con electrodos impresos directamente en papel japonés. Utilizando Ketjenblack como material de electrodo y glucosa oxidasa como ánodo-enzima, logramos una densidad de potencia de 0,12 mW cm−236. Utilizando MgOC como material de electrodo y lactato oxidasa (LOx) como enzima, logramos una densidad de potencia de 0,113 mW cm−231. Utilizando GDH como enzima y mejorando la inmovilización, conseguimos una densidad de potencia de 0,12 mW cm−232. Estos estudios se centraron principalmente en el rendimiento del ánodo. Sin embargo, con un ánodo de alto rendimiento, el enfoque debe cambiar para mejorar el cátodo, especialmente en el caso de los biosensores autoalimentados, que deben estar limitados por el ánodo en su rendimiento.

Una enzima popular para la construcción de biocátodos es la bilirrubina oxidasa (BOD). Una ventaja de esta enzima es su capacidad de transferencia directa de electrones (DET)37,38,39. Al igual que con todos los electrodos de enzimas de tipo DET, la orientación de la enzima en la superficie del electrodo es crucial. En comparación con una superficie plana, una estructura de superficie mesoporosa aumenta las posibilidades de que el sitio activo de una enzima orientada al azar esté dentro de la distancia DET40; una orientación dirigida aumentaría el rendimiento de un biocátodo tipo DET. Lalaoui et al. logró una inmovilización ordenada de DBO en nanotubos de carbono utilizando protoporfirina IX como "guía" para unir la enzima41. Al-Lolage et al. diseñó BOD para tener cisteína en un sitio específico y usó esa cisteína para una inmovilización covalente dirigida42.

En este estudio, utilizamos dos enfoques para mejorar el rendimiento de las celdas de biocombustible basadas en papel impresas con pantalla, especialmente el biocátodo. Consideramos la adición de carboximetilcelulosa (CMC) como dispersante a la tinta de MgOC e investigamos su efecto reológico. Centrándonos en el biocátodo, consideramos a la bilirrubina como una "guía" para inmovilizar la DBO de forma orientada.

En el experimento se utilizaron los siguientes materiales: MgOC con diferentes tamaños de poro promedio (CNovel™, Toyo Tanso, Japón; Nota: Material complementario Fig. S1), copolímero de hexafluoropropileno de difluoruro de polivinilideno (PVdF; polímero KF L#9305, 5 % en NMP , Kureha Corporation Japón), 1-metilpirrolidin-2-ona (NMP, Wako Pure Chemical Industries, Japón), CMC (SLD-F1, Nippon Paper Industries, Japón), papel japonés (Izumo Tokusengasenshi, Japón), agente repelente al agua (Hajikkusu, Komensu, Japón), tinta de carbón (JELCOM CH-10, Jujo Chemicals, Japón), 1,2-naftoquinona (1,2-NQ, Kanto Chemical, Japón), DBO de Myrothecium verrucaria (BO "Amano" 3 , Amano Enzyme Inc., Japón), y LOx, que se derivó de Enterococcus faecium y se preparó de forma recombinante como se informó anteriormente14.

Todos los demás productos químicos eran de grado analítico.

La tinta de MgOC se preparó dispersando MgOC y PVdF (aglutinante; 5–6 ml/1 g de MgOC) en NMP (disolvente; 2,5 ml/1 g de MgOC) hasta obtener una pasta suave. Para la tinta que contenía CMC, PVdF, NMP y CMC (0,027 g/1 g de MgOC) se premezclaron completamente antes de añadir el MgOC.

Los electrodos para la celda de biocombustible a base de papel se fabricaron de manera similar a un método previamente informado31. El papel japonés se trató con un agente repelente al agua y se dejó secar a temperatura ambiente durante 12 h. A continuación, los colectores actuales se serigrafiaron en 5 capas utilizando tinta de carbón con una impresora de pantalla LS-150TV (Newlong Seimitsu Kogyo Co. Ltd., Tokio, Japón) y se secaron a 120 °C durante 12 h. Los colectores actuales para biocátodos tenían 100 orificios de 0,5 mm de diámetro para facilitar el suministro de oxígeno31. Finalmente, se imprimieron 2 capas con tinta MgOC para formar los electrodos, los cuales se dejaron secar a temperatura ambiente durante 2 d. El tamaño del electrodo fue de 2,0 × 0,5 cm tanto para el bioánodo como para el biocátodo.

Los electrodos se modificaron para formar bioánodos y biocátodos de manera similar a un método previamente informado31. Después de tratar con ozono UV durante 15 min, el bioánodo se modificó aplicando 20 μL de 1,2-NQ 100 mM en acetonitrilo y se secó durante 1 h. Se aplicaron 20 μL que contenían 40 U LOx en tampón de fosfato 10 mM y el electrodo se secó a presión reducida durante 1,5 h. Después del tratamiento con ozono UV durante 15 min, el biocátodo se modificó aplicando 20 μL que contenían 5 U BOD en tampón de fosfato 10 mM y se secó durante 1,5 h a presión reducida. Si está indicado, antes de la modificación con DBO, se aplicaron al electrodo 20 μL de una solución de bilirrubina 0–20 mM en NaOH 20 mM y se secó durante 1,5 h a presión reducida; Se necesitaba NaOH para disolver la bilirrubina.

La dispersión de la deformación de las tintas de MgOC se evaluó utilizando un reómetro (MCR 102, Anton Paar, Japón) a una frecuencia angular de 1,0 rad s−1, un rango de deformación por cizallamiento de 10–5–10 % y una temperatura de 25 °C .

El bioánodo y el biocátodo se evaluaron individualmente en sistemas de tres electrodos con un alambre de platino como contraelectrodo y un electrodo de Ag/AgCl/KCl saturado como referencia. La voltamperometría cíclica se realizó con tampón fosfato 1 M como electrolito que contiene lactato 100 mM para el bioánodo. La velocidad de exploración fue de 10 mV s−1 y el rango de potencial de 0,5 a 0,7 V para el bioánodo y de 0,7 a 0,2 V para el biocátodo. La cronoamperometría se realizó a un potencial de operación de 0,3 V con un tiempo de medición de 2000 s. Las celdas de biocombustible fueron evaluadas por voltametría de barrido lineal en un ambiente controlado con una temperatura de 36 °C y una humedad del 70%.

Para investigar la CMC como aditivo para las tintas de MgOC, se caracterizaron las propiedades viscoelásticas de las tintas con y sin CMC aplicando tensión de corte (Fig. 1). Cuando se agregó CMC a la tinta, el punto de cruce de los módulos de almacenamiento y pérdida se desplazó a un valor de tensión de corte más alto (7,9 × 10–3 % sin CMC y 2,1 × 10–2 % con CMC; Fig. 1). El módulo de almacenamiento representa el componente elástico de la viscoelasticidad, mientras que el módulo de pérdida representa el componente viscoso. Por lo tanto, los resultados muestran que ambas tintas son viscosas a bajas deformaciones de cizallamiento y se vuelven más fluidas a deformaciones de alto cizallamiento (Fig. 1). La tinta que contenía CMC fue más estable a un esfuerzo cortante más alto, lo que indica una dispersión mejorada (Fig. 1). Debido a que la tinta está expuesta a esfuerzos cortantes durante el proceso de impresión, estas características son beneficiosas para la serigrafía y deberían conducir a electrodos más uniformes.

Módulo de almacenamiento y pérdida de tintas de MgOC con o sin CMC en función de la deformación por cizallamiento. Frecuencia angular: 1,0 rad s−1; temperatura 25 °C. Círculos: módulo de almacenamiento (G'); triángulos: módulo de pérdidas (G''); verde: tinta MgOC que contiene CMC; violeta: tinta MgOC sin CMC.

A continuación, las tintas MgOC con y sin CMC se imprimieron en electrodos, que se fabricaron, modificaron y caracterizaron electroquímicamente (Figs. 2, 3, 4). Los voltamogramas cíclicos de los biocátodos y bioánodos individuales mostraron una separación de picos ligeramente más estrecha cuando se usaron electrodos impresos con tinta MgOC que contenía CMC (Fig. 2). Las mediciones cronoamperométricas mostraron un claro aumento de la corriente de reducción y oxidación para el biocátodo y el bioánodo, respectivamente (Fig. 3). Estos resultados sugieren que agregar CMC a la tinta reduce la energía necesaria para impulsar la reacción (energías en términos absolutos en las direcciones de reducción y oxidación, respectivamente, para el biocátodo y el bioánodo). Las corrientes de voltametría cíclica similares sugieren que las corrientes de respuesta son similares en ausencia o presencia de CMC, cuando se aplica suficiente energía para impulsar la reacción (Fig. 2). La separación de picos más estrecha sugiere que la reacción procede a plena capacidad con menor energía cuando se agrega CMC a la tinta (Fig. 2). Los resultados cronoamperométricos confirman esta noción: energía moderada aplicada a 0,3 V versus Ag/AgCl/sat. KCl parece conducir a la rotación a plena capacidad cuando se agrega CMC a la tinta, mientras que no es suficiente hacerlo sin CMC (Fig. 3).

Voltamogramas cíclicos de (a) biocátodos y (b) bioánodos, fabricados con tintas de MgOC con y sin CMC. Velocidad de exploración: 10 mV s−1; tampón de fosfato 1 M, pH 7,0; (b) lactato 100 mM. Enzima biocátodo: DBO; enzima bioánodo: LOx; mediador de bioánodo 1,2-NQ. Verde: con CMC; violeta: sin CMC.

Evaluación electroquímica de (a) biocátodos y (b) bioánodos fabricados con tintas de MgOC con y sin CMC. tampón de fosfato 1 M, pH 7,0; 0,3 V frente a Ag/AgCl/sat. KCl; temperatura ambiente. (b) lactato 100 mM. (a) DBO; (b) LOx, 1,2-NQ. Verde: con CMC; violeta: sin CMC.

Evaluación electroquímica de celdas de biocombustible fabricadas con tintas de MgOC con y sin CMC. tampón de fosfato 1 M, pH 7,0; lactato 100 mM; humedad 70%; temperatura 36ºC. Enzima biocátodo: DBO; enzima bioánodo: LOx; mediador de bioánodo 1,2-NQ. Verde: con CMC; violeta: sin CMC; línea recta: densidad de potencia; línea discontinua: densidad de corriente.

Cuando se combinaron en una celda de biocombustible, la densidad de corriente máxima se duplicó de 0,35 mA/cm2 cuando los electrodos se fabricaron sin CMC a 0,79 mA cm−2 cuando se fabricaron con CMC (Fig. 4). La densidad de potencia máxima aumentó más de 2,5 veces de 92 a 249 μW cm−2 al agregar CMC a la tinta de MgOC.

Aunque las mediciones reológicas indicaron que agregar CMC a la tinta MgOC podría ser beneficioso para la serigrafía, la diferencia no explica este aumento drástico en el rendimiento. Además, la CMC es altamente higroscópica y puede mejorar la estabilidad de la enzima43. La higroscopicidad puede facilitar el suministro de combustible a la enzima y el efecto estabilizador puede evitar la pérdida de actividad de la enzima durante el proceso de inmovilización. Ambas propiedades tienen el potencial de aumentar el rendimiento de los electrodos enzimáticos resultantes y pueden explicar el aumento drástico en el rendimiento de la celda de biocombustible.

El proceso de inmovilización utilizado en este estudio implica un paso de secado a presión reducida. Tal procedimiento puede conducir a la deshidratación de la enzima y por lo tanto a la desnaturalización y pérdida de actividad44,45,46. Se sabe que los carbohidratos previenen la desnaturalización debido a la deshidratación al retener algunas moléculas de agua y reemplazar los enlaces de hidrógeno proteína-agua con enlaces de hidrógeno proteína-carbohidrato44,45,46. Por lo tanto, la presencia de CMC en la tinta podría conducir a que más moléculas de enzima permanezcan activas en la superficie de carbón. La enzima desnaturalizada en la superficie del electrodo puede interferir con la eficiencia de transferencia de electrones entre la enzima y el electrodo o entre el mediador y el electrodo, lo que podría aumentar la energía necesaria para impulsar la reacción del electrodo.

La higroscopicidad, en particular, parece tener un efecto peculiar en el rendimiento del bioelectrodo. Un aditivo higroscópico permite que el agua acceda a los poros del electrodo durante el proceso de inmovilización, transportando más enzima más adentro de los poros del electrodo, y durante la operación del dispositivo, donde el agua es esencial para la reacción enzimática, mientras transporta el combustible más profundamente en el poros en el caso del bioánodo. El mayor suministro de agua a los poros podría ser una razón de la menor energía necesaria para impulsar la reacción, como se observa electroquímicamente (Figs. 2, 3, 4). Sin embargo, el biocátodo funciona peor cuando se usa CMC como aglutinante en lugar de un aditivo en comparación con los biocátodos fabricados con PVdF hidrofóbico como aglutinante (material complementario, Fig. S2), lo que sugiere que la hidrofobicidad es necesaria para el rendimiento y es probablemente atribuible a una mayor cantidad de oxígeno. suministrar.

Para mejorar aún más el rendimiento del biocátodo, se inmovilizó BOD en MgOC en una orientación favorable para DET. Durante DET, el electrodo asume el papel de la bilirrubina en el suministro de electrones. Por lo tanto, una orientación en la que el sitio de unión de la bilirrubina de la DBO mire hacia el electrodo debería ser favorable para la DET. Para lograr esta orientación, primero se inmovilizó la bilirrubina en MgOC, seguido de DBO. Los siguientes posibles mecanismos están asociados con la inmovilización de la DBO: (a) la DBO no se une a la bilirrubina o se une en una orientación desfavorable; (b) la DBO se une por igual a la bilirrubina ya la superficie del MgOC; y (c) la DBO se une preferentemente a la bilirrubina con su sitio de unión a la bilirrubina. El electrodo resultante exhibirá un rendimiento inferior en comparación con un electrodo sin bilirrubina cuando predomine el caso (a). Por otro lado, no se espera que la bilirrubina influya en el rendimiento cuando domina el caso (b), mientras que se espera que el electrodo resultante muestre un rendimiento mejorado si domina el caso (c). Las posibles formas en que la bilirrubina está involucrada en el mecanismo electroquímico incluyen: la bilirrubina que actúa como aislante, lo que se espera que disminuya el rendimiento del electrodo, y la bilirrubina que actúa como mediador. Si bien esto último podría mejorar el rendimiento de los electrodos, la biliverdina apenas se reduce a bilirrubina en los electrodos a base de carbono47; por lo tanto, este escenario es poco probable. En consecuencia, si se observa un rendimiento mejorado del electrodo en presencia de bilirrubina, lo más probable es que la bilirrubina actúe como una "guía" de inmovilización de DBO, lo que lleva al sitio de unión de bilirrubina hacia la superficie de MgOC.

Se fabricaron biocátodos con diferentes cantidades de bilirrubina como guía para la inmovilización de DBO y se caracterizaron electroquímicamente (Fig. 5). Tanto los resultados voltamétricos cíclicos como los cronoamperométricos muestran que una pequeña cantidad de bilirrubina en el electrodo conduce a una corriente de reducción aumentada, mientras que una gran cantidad conduce a una corriente de reducción reducida. Una pequeña cantidad de bilirrubina actúa con éxito como guía y ayuda al sitio de unión de bilirrubina de la DBO a enfrentarse a la superficie de MgOC. Sin embargo, una gran cantidad parece inhibir la capacidad del electrodo para proporcionar electrones a la enzima, posiblemente actuando como una capa aislante, lo que confirma que es poco probable que la bilirrubina muestre un comportamiento mediador. La cantidad óptima de bilirrubina como guía para la inmovilización de DBO fue de 20 nmol cm−2 (Fig. 5).

Evaluación electroquímica de biocátodos con DBO adsorbidos en MgOC con bilirrubina como guía de orientación. CE = hilo de platino; RE = Ag/AgCl/sat. KCl; Tampón de fosfato 1 M, pH 7,0. (a) Voltamogramas cíclicos. Leyenda: cantidad de bilirrubina. (b) Corriente de reducción normalizada obtenida cronoamperométricamente frente a la cantidad de bilirrubina utilizada para inmovilizar la DBO. 0,3 V frente a Ag/AgCl/sat. KCl. Corriente para electrodo con DBO inmovilizado en ausencia de bilirrubina = 1.

El biocátodo optimizado, que se fabricó con tinta MgOC que contenía CMC y BOD e inmovilizó con bilirrubina como guía, se combinó con un bioánodo, que se fabricó con tinta MgOC que contenía CMC con 1,2-NQ como mediador y LOx como enzima. La celda de biocombustible resultante mostró un potencial de circuito abierto (OCP) de 0,65 V, una densidad de corriente máxima (Jmax) de 1,94 mA cm-2 y una densidad de potencia máxima (Pmax) de 465 μW cm-2 (Fig. 6). Estos valores indican que el BFC fabricado aquí se encuentra entre los BFC de mejor rendimiento que utilizan lactato como combustible (Tabla 1). Se observó una densidad de potencia de salida de aproximadamente la mitad del valor preparado en las primeras 24 h cuando se almacenó en condiciones ambientales a temperatura ambiente sin exposición a la solución de combustible (Material complementario, Fig. S3). Sin embargo, después del primer día, los BFC se mantuvieron extremadamente estables durante al menos otros tres días (Fig. S3). Las enzimas inmovilizadas en electrodos porosos generalmente se dividen en dos grupos: (1) enzimas inmovilizadas dentro de los poros y (2) enzimas inmovilizadas en la superficie exterior del electrodo. La drástica disminución en el primer día probablemente se deba a la inactivación de la enzima inmovilizada en la superficie exterior del electrodo, ya que las condiciones de almacenamiento no son adecuadas para mantener la actividad de la enzima. La alta estabilidad a partir del segundo día sugiere que una cantidad significativa de la enzima se estabiliza en gran medida por inmovilización dentro de los mesoporos del MgOC. En general, se sabe que los carbohidratos estabilizan las enzimas secas y, por lo tanto, a menudo se usan en esta capacidad en preparaciones liofilizadas y tiras sensoras de enzimas (comerciales) y, como se indicó anteriormente, la CMC también puede mejorar la estabilidad de la enzima43. Por lo tanto, es posible que la CMC contribuya al aumento de la estabilidad de las enzimas inmovilizadas dentro de los mesoporos del MgOC.

Evaluación electroquímica de celdas de biocombustible fabricadas con tintas de MgOC con CMC y bilirrubina como guías para la inmovilización de DBO. Condiciones: tampón de fosfato 1 M, pH 7,0; lactato 100 mM; humedad 70%; temperatura 36ºC. Enzima biocátodo: DBO; enzima bioánodo: LOx; mediador de bioánodo: 1,2-NQ. Rojo: densidad de potencia; azul: densidad de corriente.

En este estudio, el rendimiento de un BFC serigrafiado en papel se mejoró en dos pasos. En primer lugar, se mejoró la dispersabilidad de la tinta de MgOC añadiendo una pequeña cantidad de CMC. La dispersabilidad aumentada se confirmó reométricamente. Por lo tanto, las BFC fabricadas mostraron un mayor rendimiento debido a una mejor accesibilidad de los mesoporos del MgOC, así como al efecto estabilizador de la CMC sobre las enzimas. Este efecto estabilizador también se observó en la estabilidad de almacenamiento de los BFC. En segundo lugar, la DBO se inmovilizó de forma orientada utilizando la bilirrubina como guía. El BFC resultante mostró un OCP de 0,65 V, un Jmax de 1,94 mA cm-2 y un Pmax de 465 μW cm-2, que se encuentra entre los valores de rendimiento más altos informados hasta la fecha para los BFC que utilizan lactato como combustible. Aunque este estudio utilizó lactato como combustible, LOx como enzima anódica y 1,2-NQ como mediador anódico, todas las mejoras logradas deberían aplicarse a otras enzimas anódicas, mediadores y combustibles.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles a los autores previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado parcialmente por JST-ASTEP Grant Número JPMJTR21UF (IS, ST), JSPS KAKENHI Grant Número 21H03344 (IS, ST). Nos gustaría agradecer a Editage (www.editage.com) por la edición en inglés.

Estos autores contribuyeron por igual: Noya Loew e Isao Shitanda.

Departamento de Química Pura y Aplicada, Facultad de Ciencia y Tecnología, Universidad de Ciencias de Tokio, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba, 278-8510, Japón

Noya Loew, Isao Shitanda, Himeka Goto, Hikari Watanabe y Masayuki Itagaki

Instituto de Investigación de Ciencia y Tecnología, Universidad de Ciencias de Tokio, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba, 278-8510, Japón

Isao Shitanda, Seiya Tsujimura y Masayuki Itagaki

Centro RIKEN para la Investigación de Dinámica de Biosistemas, 1-7-22 Suehirocho, Tsurumiku, Yokohama, Kanagawa, 230-0045, Japón

Tsutomu Mikawa

División de Ciencias de los Materiales, Facultad de Ciencias Puras y Aplicadas, Universidad de Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573, Japón

Seiya Tsujimura

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NL escribió la preparación del borrador original. IS, ST, TM contribuyeron con la conceptualización y escribieron la preparación del borrador original. HG investigó el análisis formal, HW y M. I fueron supervisores. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Isao Shitanda.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Loew, N., Shitanda, I., Goto, H. et al. Biocátodo basado en papel de alto rendimiento fabricado mediante serigrafía de una tinta de carbón mesoporosa mejorada y mediante inmovilización orientada de bilirrubina oxidasa. Informe científico 12, 14649 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19052-4

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Recibido: 12 mayo 2022

Aceptado: 23 de agosto de 2022

Publicado: 27 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19052-4

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