生物酶燃料電池-PowerPoint-課件

以酶為基礎(chǔ)的生物燃料電池

07生物：顏海波普通燃料電池的工作原理：

酶燃料電池的工作原理：

微生物燃料電池和酶燃料電池的比較：

parameter

微生物燃料電池酶燃料電池催化劑 微生物 酶 使用壽命 長(zhǎng) 短氧化能力 完全氧化 不完全氧化能量濃度 低 高成本 高 低 膜表面分離器 需要 不需要生物酶燃料電池的最新研究進(jìn)展

其中一個(gè)最重大的進(jìn)展，就是生物燃料電池的生物陽(yáng)極和生物陰極使用了新的技術(shù)，用直接電子轉(zhuǎn)移取代了以前的間接電子轉(zhuǎn)移。直接傳遞的好處在于使電子直接從催化劑傳遞到電極，中間使用傳遞媒介的這一問(wèn)題得到解決。無(wú)介體酶生物燃料電池采用導(dǎo)電聚合物作為酶固定材料

第二關(guān)鍵是延長(zhǎng)固定化酶的活性時(shí)間。酶是蛋白質(zhì)，在緩沖液當(dāng)中的壽命時(shí)間是八小時(shí)到兩天，盡管固定在電極表面的酶的壽命可以延長(zhǎng)到7到20天。近來(lái)，通過(guò)把酶封裝在膠束聚合物中，可以使其活性延長(zhǎng)到一年以上，這個(gè)膠束為酶提供了合適的PH還有生物可容性的環(huán)境，防止其變性焦點(diǎn)-如何提高酶生物燃料電池的效率

三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)1：生物燃料電池陽(yáng)極需要是三維的，這樣就有足夠的敏感度。陽(yáng)極必須要使表面區(qū)域所需要的達(dá)到最佳化，孔越小，相對(duì)反應(yīng)面積越大，反應(yīng)速率越快。但孔太小，液態(tài)燃料的傳送也就成了一個(gè)問(wèn)題。2：成功的固定化多酶系統(tǒng)是需要可以使燃料完全氧化成二氧化碳。目前的酶燃料電池的效率是比較低的，只能用單一的酶和將燃料部分氧化。這和細(xì)胞內(nèi)可以使生物燃料完全氧化成二氧化碳和水是完全不同的。

3：陽(yáng)極必須支持高效率的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，因此了解之間的相互作用，孔隙度，比表面積，以及電子和質(zhì)子電導(dǎo)率至關(guān)重要。解決方案三維電極構(gòu)造

為了得到最大能量密度，三維電極需要具有多維和多向的孔結(jié)構(gòu)多層面既提供了小孔，以支持酶的穩(wěn)定和高負(fù)荷密度，也提供了大孔以支持液態(tài)燃料的傳送，多向的結(jié)構(gòu)提供了更大的表面積和通透性。最近已經(jīng)開(kāi)始探索利用殼聚糖聚合物材料有希望用來(lái)控制維度和方向性。

利用殼聚糖聚合物材料制成的陽(yáng)極

用于酶燃料電池電極的多酶陽(yáng)極多酶電極是用固定在同一電極上的多種酶催化

連續(xù)或同時(shí)發(fā)生的多個(gè)反應(yīng)。多酶電極擴(kuò)大了酶燃

料電池可使用燃料的范圍,提高了輸出電流或電壓,

具有單酶電極難以達(dá)到的性能。我們可以將這些代謝路徑的多級(jí)酶固定在電極的表面或者三維的截留聚合體。目前，我們嘗試將多級(jí)酶聯(lián)固定在一個(gè)特定空間結(jié)構(gòu)的電極表面，這是為了減少傳送過(guò)程的限制，將酶固定下來(lái)有利于在環(huán)境中保護(hù)酶。多酶混合電極示意圖生物燃料酶電池的表征

能量密度方程：

這條方程式用于任何的燃料電池，這里有兩條清晰的路徑來(lái)提高能量密度。首先，不受幾何學(xué)影響的熱力學(xué)因素，電池的平衡電極Vcell是由電池化學(xué)決定的，通過(guò)分別在陽(yáng)極和陰極上的氧化和還原反應(yīng)的選擇。第二個(gè)條件，著重在動(dòng)力學(xué)，這里電池內(nèi)部的電阻Rcell是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，決定在電池反應(yīng)中的能量密度。

Rcell

涉及的因素很多，包含有電極電荷轉(zhuǎn)移的阻抗，電極連接，膜電導(dǎo)和電解液傳導(dǎo)。

更進(jìn)一步，根據(jù)電極的放置，電池體積等報(bào)告電池的幾何學(xué)是很重要的，而且如果可能的話(huà)，在比較的過(guò)程中一直保持固定的幾何形態(tài)。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室比較不同陽(yáng)極和陰極的表現(xiàn)時(shí)是特別重要的。在模型學(xué)習(xí)過(guò)程中也是有很大用途的。一個(gè)更有前景的幾何學(xué)是堆疊電池的設(shè)計(jì)和圖中描述的樣本。

熒光在研究燃料電池中的應(yīng)用

隨著生物傳感器和生物燃料電池的發(fā)展，電化學(xué)已成為最普遍的方法，特點(diǎn)是：聚合物固定化酶。其他方法，如掃描電子顯微鏡，紅外光譜，X射線(xiàn)衍射儀，原子力顯微鏡，小角度中子散射也已運(yùn)用到進(jìn)一步的研究酶-聚合物體系的特點(diǎn)。不過(guò)，這些方法都不能提供的洞察到化學(xué)之間的互動(dòng)，酶和聚合物對(duì)雙方微觀(guān)和宏觀(guān)尺度，還有一些影響酶空間分布，活力和壽命的因素。熒光，因?yàn)閮?nèi)在敏感性和選擇性，成為探測(cè)酶-聚合物相互作用的有力工具。這是因?yàn)閺?qiáng)度的發(fā)射光譜，功能之一是激發(fā)波長(zhǎng)和探測(cè)周?chē)奈⒒瘜W(xué)環(huán)境，既可以是定性的用激光掃描共聚焦顯微鏡進(jìn)行可視化和定量用探測(cè)器測(cè)量光子。由于這個(gè)原因，熒光可以用來(lái)探測(cè)各種納入物和聚合物之間相互作用性質(zhì)，無(wú)論是在溶液或固體基質(zhì)，并把酶定位和它們的運(yùn)動(dòng)和活力特征化總結(jié)：盡管酶燃料電池相對(duì)于傳統(tǒng)的燃料電池和原電池有很多有點(diǎn)，但不過(guò)也存在很多不足，如，使用壽命短，催化效率低，燃料利用率低，還有低能量。進(jìn)來(lái)，對(duì)使用壽命短