Eletropolimerização dos catalisadores da espécie NAD +

Durante o processo catalítico de conversão dos substratos em uma biocélula a combustível, ambas as enzimas desidrogenases NAD+-dependentes ADH e AldDH transferem dois elétrons e um próton para a forma oxidada do cofator NAD+, gerando em solução espécies na forma reduzida, NADH. O potencial redox formal da espécie NADH é de 0,52 V vs. Ag/AgCl em pH 7; entretanto, sua oxidação em eletrodo de carbono vítreo na ausência de uma molécula mediadora exibe um sobrepotencial de aproximadamente 1,1 V [130]. Este comportamento bastante conhecido é o motivo que limita a utilização de enzimas desidrogenases NAD+-dependentes em sistemas não mediados, para biocélulas a combustível enzimáticas.

Nesse contexto, a utilização de compostos que catalisem a reação de oxidação da espécie NADH em sobrepotenciais bastante inferiores a 1,1 V permite um ganho de energia bastante significativo, tornando possível a aplicação de enzimas NAD+-dependentes em sistemas tais como fontes de energia (Figura 50). O critério de avaliação do desempenho de um eletrocatalisador da espécie NADH geralmente envolve os seguintes parâmetros: potencial redox formal (que define o sobrepotencial de oxidação do cofator), a taxa da reação eletrocatalítica e, a estabilidade em condições de operação [5].

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Figura 50: Representação esquemática do processo de regeneração da espécie

NAD+.

Num sistema mediado, desse tipo, duas possibilidades de utilização destes eletrocatalisadores são possíveis: de forma homogênea (em solução) ou imobilizados na superfície do eletrodo. No primeiro caso, o fato de se ter uma espécie de mediador livre em solução, concomitante com as espécies de coenzima não apresenta poder de aplicação para construção prática de um eletrodo, logo, a utilização de mediadores na forma homogênea é geralmente preterida em relação à imobilizada [5].

Neste trabalho, optou-se pelo processo de eletropolimerização dos eletrocatalisadores da espécie NADH em superfícies de carbono, obtendo-se, assim, um sistema no qual as espécies de coenzima reduzidas necessitam difundir (carregando consigo os elétrons gerados na reação catalítica) até à superfície do eletrodo para então reagir com o eletrocatalisador e transferir os elétrons aos substratos de carbono. A razão da utilização de eletrocatalisadores que contém grupamentos azina na forma de filme polimérico se origina da observação que seu potencial redox formal é bastante superior à sua forma monomérica, fato este que melhora bastante sua atividade eletrocatalítica [5].

Dos chamados “mediadores de NADH” encontrados na literatura, neste trabalho foi testada a eletropolimerização dos seguintes compostos: verde de metileno, azul de metileno, azul de toluidina, e azul básico. A Figura 51 apresenta os voltamogramas cíclicos representativos registrados durante a eletropolimerização do corante verde de metileno em

118 tecido de carbono. O crescimento do filme polimérico de poli(verde de metileno) pode ser observado pelo aumento nos picos redox III e III`, referentes à formação do polímero, além do decréscimo dos picos redox do monômero de verde de metileno (I, II e II´) [131].

Figura 51: Voltamogramas cíclicos registrados durante o processo de

eletropolimerização do corante verde de metileno (4 10-4 _{mol L}-1_{) em eletrodo de tecido de}

carbono a 50 mV s-1 no intervalo de -0,3 a 1,3 V vs. ECS, em meio de 0,1 mol L-1 de nitrato de sódio e 1 10-2 mol L-1 de tetraborato de sódio.

Posteriormente, foram realizados, também, testes em função do número de ciclos voltamétricos, entre 5 e 25 ciclos. Os resultados mostraram que a partir de 10 ciclos, já se observa visualmente a formação do filme do eletrocatalisador. Por meio dos resultados eletroquímicos de voltametria cíclica e potência, observou-se que filmes mais espessos promovem maior resistência ao sistema e consequentemente, pior resultado. Deste modo, todos os filmes de eletrocatalisador foram preparados por meio da eletropolimerização de 12 ciclos voltamétricos.

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4.1.3.2. _{Caracterização eletroquímica da espécie NAD}

A caracterização eletroquímica da espécie NAD+ foi realizada utilizando-se a técnica de voltametria cíclica, por meio da qual se torna possível à determinação do potencial redox da coenzima. A Figura 52 apresenta os perfis voltamétricos obtidos na caracterização eletroquímica da espécie NAD+ com os diferentes filmes de eletrocatalisadores eletropolimerizados em eletrodo de carbono vítreo, em meio de tampão fosfato pH 7,2, 1,67 10-3 mol L-1 de NAD+, na faixa de -0,4 a 0,4 V vs. ECS a 50 mV s-1.

Figura 52: Perfil voltamétrico obtido com os diferentes eletrocatalisadores da

espécie NAD+, em meio de tampão fosfato pH 7,2, 1,67 10-3 mol L-1 de NAD+, na faixa de - 0,4 a 0,4 V vs. ECS a 50 mV s-1_.

Os dados da Figura 52 mostram que a regeneração da espécie NADH ocorre em potencial bastante inferior com o corante verde de metileno, o qual indica um potencial de oxidação em torno de 0,050 V vs. ECS. A seguir, os corantes azul de metileno e azul de

120 toluidina apresentaram potenciais de oxidação em torno de 0,26 e 0,35 V vs. ECS, respectivamente. Já com o corante azul básico, não se observou picos definidos da coenzima.

Apesar de ser um indicativo da eficiência de cada eletrocatalisador testado (uma vez que menor potencial indica maior facilidade de ocorrência de uma reação), o potencial de oxidação da espécie NADH deve ser considerado de forma concomitante com outros parâmetros de desempenho e uma biocélula a combustível enzimática, tais como o potencial de circuito aberto, potência, além da estabilidade do filme preparado; para então ser possível, uma melhor avaliação de cada eletrocatalisador testado.

Para avaliar possíveis diferenças quanto ao fluxo das espécies NAD+_{/NADH através}

dos diferentes filmes de eletrocatalisador testados, foram realizados também experimentos de voltametria cíclica em função da velocidade de varredura. Entretanto, os resultados desses ensaios não indicaram diferença significativa com os diferentes compostos testados e por isso não são apresentados.

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