酶型生物燃料电池的研究进展

山　东　化　工

收稿日期：２０１９－０６－１０

基金项目：安徽省教育厅重点科研项目（ＫＪ２０１６Ａ５１６）作者简介：桂　君（１９８４—），女，安徽贵池人，池州学院化学与材料工程学院，讲师，硕士，主要从事化工工程与工艺研究；吴国志（１９７９—），男，安徽贵池人，池州学院化学与材料工程学院，副教授，硕士，主要从事生物燃料电池研究。

酶型生物燃料电池的研究进展

桂　君，吴国志

（池州学院化学与材料工程学院，安徽池州　２４７０００）

摘要：本文综述了近期构建酶型生物燃料电池的电极材料、酶的固定方法以及酶型生物燃料电池应用的研究进展，分析了酶型生物燃料

电池构建和应用面临的问题与挑战，展望了酶型生物燃料电池今后发展的方向。关键词：酶；生物燃料电池；研究进展中图分类号：ＴＭ９１１．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）１３－００５８－０２

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＥｎｚｙｍａｔｉｃＢｉｏｆｕｅｌＣｅｌｌ

ＧｕｉＪｕｎ，ＷｕＧｕｏｚｈｉ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｉｚｈｏｕ　２４７０００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｎｚｙｍｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｎｚｙｍａｔｉｃｂｉｏｆｕｅｌｃｅｌｌ，ａｒｅｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｆａｃｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｎｚｙｍａｔｉｃｂｉｏｆｕｅｌｃｅｌｌａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｅｎｚｙｍａｔｉｃｂｉｏｆｕｅｌｃｅｌｌｉｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｚｙｍｅ；ｂｉｏｆｕｅｌｃｅｌｌｓ；ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓ 生物燃料电池（

ｂｉｏｆｕｅｌｃｅｌｌｓ，ＢＦＣｓ）是一种以微生物或酶作为催化剂的特殊的燃料电池。它是由有一个阳极和一个阴极组成，电极之间由选择性很强（只允许特定带电离子通过）的离子交换膜隔开，其能量由一些生物燃料如：葡萄糖、乳酸、碳水化合物、乙醇等提供。生物燃料电池的概念最早于１９１１年提出［１］，这项研究在２０世纪６０年代引起了美国国家航天局（ＮＡＳＡ）的高度关注，他们利用生物燃料电池回收宇宙飞船中人体产生的垃圾使之转换为可用的能源，同时期人们将生物燃料电池作为能够直接植入人体的能源应用于人造心脏的制造中。这些研究成果大大激发了生物燃料电池的研究与应用，在那个时期，人们构建和测试了很多新型生物燃料电池，如：尿素、甲烷燃料电池等。世界上第一个酶型燃料电池是由美国空

间总公司的Ｙａｈｉｒｏ等人于１９６４年报道的［２］

，他们利用葡萄糖氧化酶（ｇｌｕｃｏｓｅｏｘｉｄａｓｅ，ＧＯｘ）作为阳极催化剂，以葡萄糖作为生物燃料。尽管在那个时期生物燃料电池的研究取得了令人激动的进展，但由于生物燃料电池在功率密度、使用寿命、运行的稳定性以及电压的大小等方面与化学燃料电池相比还存在

着一些差距［３－４］

。

１　酶型生物燃料电池的构建

酶型生物燃料电池由生物阳极和生物阴极构成，人们通过

在电极上修饰各种材料和寻求更好的酶的固定方法来提高电池的性能。

１．１　电极材料

１．１．１　无机材料

常被作为电极材料的无机物有：各种碳材料，金属氧化物

等。Ｆｅｎｇｇａｏ课题组［５］

以吸附酶碳纳米点为主体介质的甲醇／

Ｏ２生物燃料电池的构建。以甲醇脱氢酶，

甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶组成的复合酶、碳量子点和聚亚甲基蓝修饰的玻碳电极为生物阳极，在阳极上发生ＮＡＤ＋－脱氢酶连锁反应，以吸附漆酶的碳量子点修饰的玻碳电极为生物阴极，构建甲醇／Ｏ２生物燃

料电池其开路电压可达０

．７１（±０．０２）Ｖ，功率密度可达６８．２（±０．４）μ

Ｗ·ｃｍ－２

。１．１．２　有机材料

具有较好吸附和导电性能有机高分子材料也常被用来作

为电极的修饰材料。ＡｎｄｒｅｗＪ．Ｇｒｏｓｓ等［６］

含芘和活化酯组交联共聚物作为电极的修饰材料，使用含芘和活化酯组交联共聚物固定漆酶能够增强电极的力学和电化学性能，同时也具备高度的选择性。他们制备的生物阴极具有很好的稳定性，２４天仍

能保持５

３％的电流密度。１．１．３　有机／无机复合材料人们常用有机／无机复合材料作为电极材料来提高电极性能。多壁碳纳米管与有机物复合可以得到性能优异的电极材料，多壁碳纳米管与二叔丁基酚共混可以制备性能优异的印刷

电极［７］

。多壁碳纳米管／线性聚乙烯亚胺复合材料修饰的电极

构建生物乙醇燃料电池［８

］最大功率密度值高达２２６±２１μＷ·ｃｍ－２，而以羧基化多壁碳纳米管／聚二甲基二烯丙基氯化铵复

合材料修饰电极构建的乙醇燃料电池［９］

在氧饱和的ＰＢＳ（０．１ｍ，ｐＨ值为７．５）缓冲溶液中开路电压达到５０４ｍＶ，功率密度达

到３．９８ｍＷ·ｃｍ－２

。

１．２　酶的固定

１．２．１　物理吸附

多孔材料可以通过物理吸附来固定酶。石墨化介孔碳能

够吸附葡萄糖氧化酶形成一个高导电性的稳定电极［１０］

，最大的

电子转移速率常数为（５．１６±０．６１）ｓ－１

，电极在６０℃下４ｈ后能保持９９％的活性，其构建的葡萄糖燃料电池功率密度在电压为０．２４Ｖ时能够达到２２．４μＷ·ｃｍ－２。１．２．２　层层自组装以高碘酸盐修饰的葡萄糖氧化酶和二茂铁己基、二茂铁丙基修饰的线性聚乙胺为原料，在金表面进行酶生物阳极的层层

自组装［１１］

。聚合物薄膜构建的葡萄糖燃料电池功率密度能够达到（３８１±３）和（１４１７±６３）μＡ·ｃｍ－２。这种方法比传统交联技术制备的生物阳极的反应电流更大。１．２．３　化学键

ＡｌａｎＳ．Ｃａｍｐｂｅｌ等报告［１２］

了用含二茂铁氧化还原聚合物

·

８５·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第４８卷