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)

生物燃料电池(biofuel cells,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(glucose oxidase,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。Feng gao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)μW·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。Andrew J. 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53%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±21 μW·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 (0.1 m，pH值为7.5)缓冲溶液中开路电压达到504 mV，功率密度达到3.98 mW·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4 h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0.24 V时能够达到22.4 μW·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

Alan S. Campbel等报告[12]了用含二茂铁氧化还原聚合物修饰葡萄糖氧化酶，以提高酶修饰阳极的电流产生效率。聚(N-(3-二甲基亚铁)甲基溴化铵丙烯酰胺)是通过原子转移自由基聚合与葡萄糖氧化酶表面共价键连接的水溶性引发剂分子“接枝”而成。酶表面偶联二茂铁聚合物促进了葡萄糖氧化酶活性位点与外部电极的有效“连接”。结果葡萄糖氧化酶-聚(N-(3-二甲基亚铁)甲基溴化铵丙烯酰胺)轭合物生成使得所构建的生物燃料电池功率密度达到1.7 mW·cm-2。

2 酶型生物燃料电池的应用

2.1 自供电电化学传感器

自供电电化学传感器的概念是由Willner小组于2001年提出的[13]，他们提出了一种基于生物燃料电池的自发电生物传感器，其电池的开路电压随着生物燃料浓度的变化而变化。该生物传感器一般以酶(葡萄糖氧化酶或乳酸脱氢酶)修饰的阳极与生物燃料(葡萄糖或乳酸)反应，以细胞色素氧化酶修饰的阴极来消耗氧气。如果电解液中没有生物燃料，电池不工作，电路中无电压；有生物燃料时，电路中的电压与生物燃料浓度的对数成线性关系，而开路电路可以直接通过伏特表测量，无需外加电源。Feng gao课题组[14]以油酸形成高分子液晶油酸的立方相(liquid-crystalline lipidic cubic phases,LCPs)为主体基质，加入酶和媒介体形成酶电极，将乙醇脱氢酶和甲苯胺蓝加入油酸构成掺杂的LCPs，并将其修饰到玻碳电极上形成生物阳极，将漆酶和2,2-偶氮-二(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐加入油酸构成掺杂的LCPs，并将其修饰到玻碳电极上形成生物阴极，两电极构成乙醇/空气燃料电池，其开路电压可达0.5 V，在缓冲溶液中电压为0.36 V功率密度为12.0 μW·cm-2，在红酒中电压为0.42 V功率密度为2.78 μW·cm-2，可作为自发电传感器电源，而其生物阳极是良好的乙醇生物传感器，在乙醇浓度0～15.6 mmol/L范围有很好的线性关系，其检测限可达0.09 mmol/L。Chuantao Hou等[15]用黄素腺嘌呤依赖的葡萄糖脱氢酶(FAD-GDH)的生物阳极和漆酶生物阴极构建半胱氨酸(L-Cys)的自供电传感器。该传感器表现出较低的检出限10 nmol/L L-Cys (S/N = 3)。

2.2 可穿戴设备

酶型生物燃料电池可以为各种可穿戴应用提供可行的生物动力源。已经有科研工作者进行了大量的研究来开发用于实际应用的酶生物燃料电池[16-17]。人们可以通过构建生物燃料电池，利用汗水和眼泪中的能量为可穿戴电子设备提供动力。人类唾液中含有几种可行的生物燃料候选体，可用于驱动可穿戴唾液传感器。目前，酶型生物燃料电池在可穿戴设备上的应用面临的主要挑战有：酶的稳定性、氧化还原介质的安全性和稳定性、生物燃料分子浓度稳定以及电池器件的柔性及生物相容性。

2.3 可植入器件

Michelle Rasmussen等[18]设计并构建了一种生物燃料电池，该电池采用双酶海藻糖酶|葡萄糖氧化酶海藻糖阳极和胆红素氧化酶/O2阴极，利用接枝到聚合物骨架上的Os复合物作为电子继电器。通过在雌性盘状小蠊腹部切口植入生物燃料电池功率密度产生的最大值为在开路电压0.2 V 时55 μW·cm-2。Kan Shoji等[19]将固定葡萄糖脱氢酶的阳极和胆红素氧化酶的阴极构建的生物燃料电池植入蟑螂体内，可以实现333 μW的能量输出，可以驱动一个LED灯和一个无线的温度和湿度传感器。

3 展望

酶型燃料电池构建与应用虽然取得了不小的进展，但目前面临的挑战仍然很大，尤其是其相对低的稳定性和低的功率密度。一方面，人们通过寻求生物活性好、电子传输效率高和酶的载量大的新的电极修饰材料来提高电池的性能；另一方面通过蛋白质工程优化酶的结构，也能提高酶的催化效率和稳定性，从而提升酶型生物燃料电池的应用水平。