酶生物燃料电池

酶生物燃料电池是一种特殊类型的燃料电池，它使用酶作为催化剂来氧化其燃料，而不是贵金属。酶生物燃料电池虽然目前仅限于研究设施，但因其相对便宜的组件和燃料以及仿生植入物的潜在电源而广受赞誉。

酶促生物燃料电池的工作原理与所有燃料电池相同：使用催化剂将电子与母体分子分离，并迫使其通过导线绕过电解质屏障以产生电流。使酶生物燃料电池与更传统的燃料电池不同的是它们使用的催化剂和它们接受的燃料。大多数燃料电池使用铂和镍等金属作为催化剂，而酶生物燃料电池使用来自活细胞的酶（尽管不在活细胞内；使用整个细胞催化燃料的燃料电池称为微生物燃料电池）。这为酶生物燃料电池提供了两个优势：酶相对容易大规模生产，因此受益于规模经济，而贵金属必须开采，因此供应缺乏弹性。酶还专门设计用于处理自然界中极为常见的有机化合物，例如糖和醇。大多数有机化合物不能被金属催化剂用作燃料电池的燃料，因为在燃料电池运行过程中碳分子与氧气相互作用形成的一氧化碳会迅速“毒化”电池所依赖的贵金属，使其无用.由于糖和其他生物燃料可以大规模种植和收获，酶生物燃料电池的燃料非常便宜，几乎可以在世界任何地方找到，因此从物流的角度来看，它是一个非常有吸引力的选择，甚至对于那些关心采用可再生能源的人来说更是如此。酶生物燃料电池还具有传统燃料电池不具备的运行要求。最重要的是，让燃料电池运行的酶必须“固定”在阳极和阴极附近，才能正常工作；如果不固定，酶会扩散到电池的燃料中，大部分释放的电子不会到达电极，从而影响其有效性。即使在固定化的情况下，也必须提供一种用于将电子转移到电极和从电极转移的装置。这可以直接从酶到电极（“直接电子转移”）或借助其他将电子从酶转移到电极的化学物质（“介导电子转移”）来完成。前一种技术仅适用于某些类型的酶，其活化位点靠近酶的表面，但这样做对打算在人体内使用的燃料电池的毒性风险较小。最后，要完全处理酶生物燃料电池中使用的复杂燃料，“代谢”过程的每一步都需要一系列不同的酶；生产一些所需的酶并将它们维持在所需的水平可能会带来问题。

始于20世纪初的生物燃料电池的早期工作纯粹是微生物种类。在生物燃料电池中直接使用酶进行氧化的研究始于1960年代初期，1964年生产了xxx个酶生物燃料电池。这项研究始于NASA的兴趣，即寻找将人类废物回收为航天器上可用能源的方法，以及寻求人造心脏的一个组成部分，特别是作为可以直接放入人体的电源。这两种应用——使用动物或植物产品作为燃料和开发无需外部燃料直接植入人体的电源——仍然是开发这些生物燃料电池的主要目标。然而，最初的结果令人失望。虽然早期的电池确实成功地产生了电力，但将葡萄糖燃料释放的电子传输到燃料电池的电极存在困难，并且由于酶倾向于远离，因此难以保持系统足够稳定以完全产生电力。他们需要在哪里才能使燃料电池发挥作用。这些困难导致生物燃料电池研究人员在近三十年内放弃了酶催化剂模型，转而使用大多数燃料电池中使用的更传统的金属催化剂（主要是铂）。直到1980年代，人们意识到金属催化剂方法无法提供生物燃料电池所需的质量后，才重新开始对该主题的研究，然而，许多这些问题在1998年得到了解决。在那一年，宣布研究人员已经设法在生物燃料电池中使用一系列（或“级联”）酶来完全氧化甲醇。在此之前，酶催化剂未能完全氧化电池的燃料，提供的能量远低于已知燃料能量容量的预期。虽然甲醇现在作为燃料在该领域的相关性要低得多，但使用一系列酶完全氧化电池燃料的证明方法为研究人员提供了前进的道路，现在很多工作都致力于使用类似的方法来实现完全氧化更复杂的化合物，例如葡萄糖。此外，也许更重要的是，1998年是酶“固定化”成功展示的一年，它将甲醇燃料电池的使用寿命从仅8小时提高到一周以上。固定化还为研究人员提供了将早期发现付诸实践的能力，特别是发现了可用于将电子从酶直接转移到电极的酶。自1980年代以来，这一过程就已被理解，但很大程度上依赖于将酶放置在尽可能靠近电极的位置，这意味着它在设计固定化技术之前无法使用。特别是发现可用于将电子从酶直接转移到电极的酶。自1980年代以来，这一过程就已被理解，但很大程度上依赖于将酶放置在尽可能靠近电极的位置，这意味着它在设计固定化技术之前无法使用。特别是发现可用于将电子从酶直接转移到电极的酶。自1980年代以来，这一过程就已被理解，但很大程度上依赖于将酶放置在尽可能靠近电极的位置，这意味着它在设计固定化技术之前无法使用。此外，酶生物燃料电池的开发人员已将纳米技术的一些进步应用到他们的设计中，包括使用碳纳米管直接固定酶。其他研究已经开始利用酶设计的一些优势来显着小型化燃料电池，如果这些电池要与可植入设备一起使用，则必须进行这一过程。一个研究小组利用酶的极端选择性来完全消除阳极和阴极之间的屏障，这是非酶型燃料电池的xxx要求。这使该团队能够在仅0.01立方毫米的空间内生产出1.1微瓦的燃料电池，其工作电压超过半伏特。虽然酶生物燃料电池目前尚未在实验室外使用，但随着该技术在过去十年中的进步，非学术组织对该设备的实际应用表现出越来越多的兴趣。在解释他们对这项技术的追求时，两个组织都强调了这些电池的燃料非常丰富（而且成本非常低），如果便携式能源的价格上涨，这项技术的一个关键优势可能会变得更具吸引力，

对于燃料电池，酶的掺入具有几个优点。要考虑的一个重要酶特性是成功的反应催化所必需的驱动力或潜力。许多酶在最适合燃料电池应用的底物附近运行。此外，活性位点周围的蛋白质基质提供了许多重要功能；对底物的选择性、内部电子耦合、酸性/碱性特性以及与其他蛋白质（或电极）结合的能力。酶在没有蛋白酶的情况下更稳定，而耐热酶可以从嗜热生物中提取，从而提供更广泛的操作温度范围。操作条件一般在20-50°C和pH4.0到8.0之间。使用酶的一个缺点是体积；考虑到酶的尺寸很大，由于空间有限，它们每单位电极面积产生的电流密度较低。由于不可能减少酶的大小，因此有人认为这些类型的细胞的活性会降低。一种解决方案是使用三维电极或固定在提供高表面积的导电碳载体上。这些电极延伸到三维空间，xxx增加了酶结合的表面积，从而增加了电流。

根据生物燃料电池的定义，酶在阴极和阳极都用作电催化剂。在基于氢化酶的生物燃料电池中，氢化酶存在于阳极上用于H2氧化，其中分子氢被分裂成电子和质子。在H2/O2生物燃料电池的情况下，阴极涂有氧化酶，然后将质子转化为水。

近年来，由于对氢的科学和技术兴趣，对氢化酶的研究显着增长。氢化酶催化的双向或可逆反应是解决可再生能源作为燃料并按需使用的捕获和储存技术开发挑战的解决方案。这可以通过在低能源需求期间将可再生能源（例如太阳能、风能、水热）获得的电力作为H2化学储存来证明。当需要能量时，H2可以被氧化以产生非常有效的电能。由于作为清洁能源载体和潜在的运输燃料，在能量转换装置中使用氢引起了人们的兴趣。

除了前面提到的与在燃料电池中加入酶相关的优点外，氢化酶是一种非常有效的催化剂，可用于形成电子和质子的H2消耗。铂通常是该反应的催化剂，然而，氢化酶的活性相当，没有H2S和CO催化剂中毒的问题。在H2/O2燃料电池的情况下，如果产品是水，则不会产生温室气体。就结构优势而言，氢化酶对其底物具有高度选择性。考虑到氢化酶不与氧气（抑制剂）反应并且阴极酶（通常是漆酶）不与燃料反应，不需要膜简化了生物燃料电池的设计，使其变得小巧紧凑。电极优选由碳制成，碳含量丰富、可再生，并且可以通过多种方式进行修饰或以高亲和力吸附酶。氢化酶附着在表面上，这也延长了酶的寿命。

在生物燃料电池中加入氢化酶有几个困难需要考虑。为了生产高效的燃料电池，必须考虑这些因素。

由于基于氢化酶的生物燃料电池进行氧化还原反应，因此氢化酶必须固定在电极上，使其可以直接与电极交换电子以促进电子转移。这被证明是一个挑战，因为氢化酶的活性位点被埋在酶的中心，其中FeS簇被用作电子中继器，以与其天然氧化还原伙伴交换电子。提高电子传递效率的可能解决方案包括将氢化酶固定在离电极足够近的最暴露的FeS簇上，或使用氧化还原介质进行电子转移。通过酶在石墨电极上的吸附或与电极的共价连接也可以实现直接电子转移。另一种解决方案包括将氢化酶包埋在导电聚合物中。

氢化酶与标准无机分子催化剂的大小的直接比较表明氢化酶非常庞大。与Pt催化剂的1-5nm相比，它的直径约为5nm。这通过限制xxx电流密度来限制可能的电极覆盖范围。由于改变氢化酶的大小是不可能的，为了增加电极上存在的酶的密度以维持燃料电池的活性，可以使用多孔电极代替平面电极。这增加了电活性区域，允许更多的酶被加载到电极上。另一种方法是在聚合物基质内用氢化酶吸附石墨颗粒形成薄膜。然后石墨颗粒可以收集电子并将其传输到电极表面。

在生物燃料电池中，氢化酶面临两种氧化威胁。O2通过将O2扩散到活性位点，然后对活性位点进行破坏性修饰，使除[NiFe]以外的大多数氢化酶失活。O2是阴极的燃料，因此必须进行物理分离，否则阳极的氢化酶会失活。其次，阴极上的酶对阳极上的氢化酶施加正电位。这进一步增强了O2对氢化酶的失活，甚至导致以前耐受O2的[NiFe]受到影响。为避免O2失活，可使用质子交换膜将阳极室和阴极室隔开，以使O2无法扩散到氢化酶的活性位点并对其进行破坏性修饰。

有许多方法可以将氢化酶吸附到已用聚合物修饰的碳电极上。一个例子是Morozov等人所做的一项研究。他们将NiFe氢化酶插入到聚吡咯薄膜中并为电极提供适当的接触，其中氧化还原介质被夹在薄膜中。这是成功的，因为薄膜中的氢化酶密度很高，并且氧化还原介质有助于连接所有用于催化的酶分子，其功率输出与溶液中的氢化酶大致相同。

碳纳米管也可用于电极上的氢化酶载体，因为它们能够组装成大的多孔和导电网络。这些杂合体是使用[FeFe]和[NiFe]氢化酶制备的。从A.aeolicus（嗜热细菌）中分离的[NiFe]氢化酶能够在没有氧化还原介质的情况下通过直接电子转移氧化H2，使用固定的CNT涂层电极的催化电流比裸电极高10倍。将氢化酶与纳米管偶联的另一种方法是将它们共价结合以避免时间延迟。从D.gigas(巨型鱿鱼)中分离的氢化酶与多壁碳纳米管(MWCNT)网络耦合，并产生比石墨-氢化酶阳极高约30倍的电流。这种方法的一个小缺点是氢化酶覆盖纳米管网络表面的比例使氢化酶仅覆盖网络中稀有的缺陷点。还发现一些吸附过程倾向于损坏酶，而将它们共价偶联则稳定了酶并使其保持稳定更长时间。氢化酶-MWCNT电极的催化活性提供了一个多月的稳定性，而氢化酶-石墨电极仅持续了大约一周。

Armstrong小组建造了一个全酶氢燃料电池，他们使用该电池为手表供电。燃料电池由具有从R.metallidurans中分离的氢化酶的石墨阳极和用真菌漆酶改性的石墨阴极组成。将电极放置在具有3%H2气体在空气中的混合物的单个腔室中，并且由于氢化酶对氧气的耐受性而没有膜。燃料电池产生950mV的电压并产生5.2uW/cm2的电力。尽管该系统非常实用，但由于可接近的H2水平低、耐氧氢化酶的催化活性较低以及扁平电极上的催化剂密度较低，它仍然没有达到最佳输出。随后通过添加MWCNT网络以增加电极面积来改进该系统。

自2001年以来引入了将酶生物燃料电池应用于自供电生物传感应用的初始概念。随着不断的努力，已经证明了几种类型的自供电酶生物传感器。2016年，xxx个基于可拉伸织物的生物燃料电池示例被描述为可穿戴的自供电传感器。该智能纺织设备利用了基于乳酸氧化酶的生物燃料电池，可以实时监测汗液中的乳酸以用于身体应用。