酶型生物燃料电池的构筑与性能研究

酶型生物燃料电池作为一种新型环境友好的绿色能源，在植入式人体医学电子器件和便携式微电子装置等领域具有广阔的应用前景。本项目针对酶型生物燃料电池研究所面临的功率输出密度低、电池供电连续性差、电池寿命不够长等关键科学问题，从设计合成多维、多向、多孔的适合酶包埋的电极材料、通过提纯、去糖基化等手段以提高商品化酶的催化活性、以及多个单池的拼接技术等方面入手，构建催化活性高、稳定性好的酶电极，进而组装新型生理条件下的酶型生物燃料电池，以期获得输出功率高、稳定性好、寿命长的电池。进一步考察电池在实际样品中的性能及其影响因素，为生物燃料电池的实际应用提供实验基础。本项目拟选择脱氢酶和氧化酶为阳极催化剂、蓝铜族氧化酶为阴极催化剂构筑高性能的酶型生物燃料电池。本项目的成功实施将为酶型生物燃料电池的设计以及实际应用提供理论依据和实验基础。

本项目从设计合成适合酶包埋的电极材料、提高商品化酶催化活性等方面入手，构建催化活性高、稳定性好的酶电极，进而组装酶型生物燃料电池，以期获得输出功率高、稳定性好、寿命长的电池。.探索了通过纯化商品化酶以提高其催化活性的方法。通过对商品化酶透析脱盐、疏水作用色谱、离子交换色谱、超滤浓缩等步骤的纯化，酶对底物的催化活性得到提高，催化电流密度增强，酶电极稳定性也有所提高。该方法可作为提高生物电化学领域常用商品化酶催化活性的通用方法。.设计合成了不同结构适合于酶包埋的电极材料，如多孔微米结构的双层碳空心球、碳纳米点、脂质立方液晶相、金属氧化物或氢氧化物纳米结构材料等，进行了结构表征和电化学性能研究。.基于设计合成的电极材料和纯化的酶，构筑了不同类型的酶电极和生物燃料电池。1、合成了多孔微米结构的双层碳空心球，发现该材料在低过电位下催化氧化NADH（-0.1 V vs. Ag/AgCl, pH 7.0）且能有效促进胆红素氧化酶直接电子转移，构建了无膜、直接生物电催化型的乳酸/氧气生物燃料电池和乳酸生物传感器。2、发现了碳纳米点能有效促进葡萄糖氧化酶、胆红素氧化酶直接电子转移，构建了直接电子转移型葡萄糖/空气生物燃料电池（开路电压高达0.93V）和葡萄糖传感器。3、发现了碳纳米点能有效促进血红素蛋白质直接电子转移，构建了无媒介体型生物燃料电池的阴极和过氧化氢生物传感器。4、研究了漆酶在碳纳米点上直接电子转移并构筑了生物阴极；对碳纳米点进行功能化修饰，基于碳点/聚亚甲基绿复合物对NADH 的催化性能，构筑了基于葡萄糖脱氢酶的生物阳极；构建了葡萄糖/氧气生物燃料电池和葡萄糖生物传感器。5、构筑了基于脱氢酶的多酶催化乙醇完全氧化体系，并以此作为生物阳极，构建了乙醇/氧气生物燃料电池。6、研究了单油酸甘油酯的脂质立方液晶相的制备方法，制备了甲苯胺蓝和乙醇脱氢酶共包埋于脂质立方液晶相中的生物阳极；制备了漆酶包埋于脂质立方液晶相中的生物阴极；构筑了无膜型乙醇/氧气生物燃料电池。7、为改善脂质立方液晶相的导电性，制备了甲苯胺蓝和乙醇脱氢酶共包埋的碳材料掺杂的脂质立方液晶相生物阳电极和乙醇生物传感器。8、合成了MgO介孔纳米片、α-Ni(OH)2 三维分级结构、ZnO 纳米棒/Ag纳米粒子二元异质结构、超薄MoS2纳米片等不同结构的电极材料，研究了它们的电化学性质，为酶电极的制备奠定了基础