生物燃料電池是一種特殊的燃料電池，它使用酶或產(chǎn)電微生物作為生物催化劑，通過(guò)電化學(xué)途徑將生物質(zhì)燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。生物燃料電池反應(yīng)條件溫和、原料來(lái)源廉價(jià)、生物相容性好，因此具有較好的應(yīng)用前景。近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所生物傳感技術(shù)團(tuán)隊(duì)研究人員在基于細(xì)菌表面展示酶的生物燃料電池方面取得系列研究進(jìn)展，開發(fā)出具有較高能量輸出和穩(wěn)定性的新型電池，有望作為植入式在體電源和便攜式電源得到廣泛應(yīng)用。
該團(tuán)隊(duì)侯傳濤博士等利用生物模板法在氟摻雜二氧化錫（FTO）導(dǎo)電玻璃上制備出具有三維多孔結(jié)構(gòu)的金膜（圖1），并以此作為電極共價(jià)固定漆酶，制成生物陰極。該三維多孔金膜可顯著地提高酶的固定效率，并實(shí)現(xiàn)直接電子傳遞，催化還原氧氣的起始電位高達(dá)0.62 V（相對(duì)于飽和甘汞電極）。生物陽(yáng)極則采用細(xì)菌表面展示的葡萄糖脫氫酶突變體（bacteria-GDH）。所組裝的單室電池其開路電位高達(dá)0.80 V，最大功率密度為55.8 W cm-2。不僅如此，該電池在連續(xù)工作55小時(shí)后仍可保持84%的最大功率密度，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。本研究基本解決了酶基燃料電池研究中存在的酶穩(wěn)定性不高、成本高等問(wèn)題，相關(guān)成果在線發(fā)表于Analytical Chemistry (C. Hou, et al., Analytical Chemistry 2014, Article ASAP, DOI: 10.1021/ac501203n).
研究人員還發(fā)表了關(guān)于基于細(xì)菌表面展示木糖脫氫酶（bacteria-XDH）作為生物陽(yáng)極的無(wú)隔膜生物燃料電池的研究成果。該體系開路電位可達(dá)0.58 V，最大輸出功率密度為63 Wcm-2，連續(xù)工作12小時(shí)后仍能保持85%以上的最大能量輸出。對(duì)比于相同酶活提純的XDH修飾的陽(yáng)極，功率密度提高60%（L. Xia, et al, Biosensors & Bioelectronics 2013, 44, 160）。另外，該研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)筑了以淀粉為燃料的順序酶生物燃料電池，相關(guān)成果也發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics。（Q. Lang, et al., Biosensors and Bioelectronics, 2014, 51, 158-163）。
上述研究由劉愛驊研究員主持完成，獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
圖1. 三維多孔結(jié)構(gòu)金膜的照片。（A）金膜在FTO上的光學(xué)照片；（B）金膜的掃描電鏡照片。
圖2. （A）生物燃料電池示意圖，生物陽(yáng)極為bacteria-GDH/聚亞甲基藍(lán)/多壁碳納米管/玻碳電極，生物陰極為漆酶固定的三維多孔金膜。（B）電池功率密度隨輸出電壓的變化曲線。a，生物陰極為漆酶固定的三維多孔金膜；b，生物陰極為圓盤金電極。
原文鏈接：
1. Analytical Chemistry 2014, Article ASAP, DOI:10.1021/ac501203n.
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac501203n
2. Biosensors & Bioelectronics 2013, 44, 160-163.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566313000298
3. Biosensors and Bioelectronics 2014, 51, 158-163.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566313004934
