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 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題得到解決。無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到7到20天。近來，通過把酶封裝在膠束聚合物中，可以使其活性延長到一年以上，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：生物燃料電池陽極需要是三維的，這樣就有足夠的敏感度。陽極必須要使表面區(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)開始探索利用殼聚糖聚合物材料有希望用來控制維度和方向性。

利用殼聚糖聚合物材料制成的陽極

用于酶燃料電池電極的多酶陽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程的限制，將酶固定下來有利于在環(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，通過分別在陽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，在比較的過程中一直保持固定的幾何形態(tài)。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室比較不同陽極和陰極的表現(xiàn)時(shí)是特別重要的。在模型學(xué)習(xí)過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，這些方法都不能提供的洞察到化學(xué)之間的互動，酶和聚合物對雙方微觀和宏觀尺度，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)波長和探測周圍的微化學(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器測量光子。由于這個(gè)原因，熒光可以用來探測各種納入物和聚合物之間相互作用性質(zhì)，無論是在溶液或固體基質(zhì)，并把酶定位和它們的運(yùn)動和活力特征化總結(jié)：盡管酶燃料電池相對于傳統(tǒng)的燃料電池和原電池有很多有點(diǎn)，但不過也存在很多不足，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，對使用壽命短