通過自組裝生物燃料電池實(shí)現(xiàn)發(fā)電

研究人員開發(fā)出第一種全功能生物燃料電池，其生物催化劑(在發(fā)電中起關(guān)鍵作用的酶)直接自組裝到電極上。在約5分鐘內(nèi)，添加到生物燃料電池溶液中的酶 - 納米顆粒雜化物選擇性地結(jié)合陽極或陰極，并且這樣做形成生物燃料電池的關(guān)鍵組分。

由Andreas Stemmer，亞歷山大·特里福諾夫和Ran Tel-Vered領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的納米技術(shù)組，都在最近一期ACS Nano上發(fā)表了一篇關(guān)于自組裝生物燃料電池的論文。

“我們已經(jīng)展示了一種自組裝生物燃料電池，它可以提供按需發(fā)電，可以通過磁場打開和關(guān)閉，”Trifonov告訴Phys.org。“該系統(tǒng)還可以在只更換有源元件的情況下多次重復(fù)使用電極。”

近年來，已經(jīng)研究了自組裝方法作為制造各種納米級結(jié)構(gòu)的工具，其在燃料電池，電池和其他能量存儲(chǔ)和發(fā)電裝置中具有潛在的應(yīng)用。在自組裝中，最常見的策略之一是使用力場(電場，磁場等)使某些區(qū)域在能量上更有利于納米粒子，引導(dǎo)它們在這些區(qū)域聚集。然而，到目前為止，尚未使用任何種類的直接自組裝方法形成功能完整的生物燃料電池。

這里報(bào)道的生物燃料電池旨在將含果糖的液體(如葡萄汁)轉(zhuǎn)化為電能。為此，細(xì)胞使用酶作為活性元素，將糖中的電子(通過氧化)釋放到陽極中。然后電子通過導(dǎo)線傳播到陰極，產(chǎn)生電流。在陰極，其他酶使用電子(通過還原，氧化反向)和溶液中存在的氧來產(chǎn)生水。

生物燃料開發(fā)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是將氧化和還原催化酶固定在足夠靠近電極的位置，以確保從糖中釋放的電子最終在氧還原過程中結(jié)束。固定是必要的，以便氧化和還原過程同時(shí)發(fā)生，使得連續(xù)電流能夠流過電線。如果其中一個(gè)生物燃料電池的隔室(陰極或陽極)不能正常工作，整個(gè)過程就會(huì)停止。

這是自組裝過程變得非常有用的地方，因?yàn)樗仁箖煞N類型的酶(氧化催化和還原催化)緊密結(jié)合到適當(dāng)?shù)碾姌O(分別為陽極或陰極)。酶首先與碳涂覆的磁性納米顆粒雜交，所述磁性納米顆粒本身連接到兩種類型的配體中的一種，所述配體是具有特殊化學(xué)性質(zhì)的分子。當(dāng)將這些酶 - 納米顆粒雜化物的混合物置于生物燃料電池中時(shí)，配體和電極之間的反應(yīng)迫使氧化催化酶 - 納米顆粒結(jié)合到陽極，而還原催化酶 - 納米顆粒結(jié)合到陰極。這實(shí)現(xiàn)了將酶固定在適當(dāng)電極上的目標(biāo) 并允許不間斷的氧化和還原過程。

研究人員還展示了該設(shè)計(jì)的另一個(gè)潛在有用特征：拆卸。由于納米顆粒是磁性的，施加的磁場使酶 - 納米顆粒從電極分離，終止電流并將納米顆粒釋放到電解質(zhì)中，從中可以除去納米顆粒。然后可以添加新批次的酶納米顆粒，其與之前一樣，自組裝到電極上。這種用新的生物催化劑更新舊的降解生物催化劑的能力提供了一種重新激活細(xì)胞并延長其壽命的方法。

與非自組裝生物燃料電池相比，當(dāng)前版本的生物燃料電池具有相對較低的功率輸出，但研究人員預(yù)計(jì)，通過各種優(yōu)化技術(shù)可以顯著提高性能，他們計(jì)劃在未來進(jìn)行調(diào)查。其他需要探索的領(lǐng)域包括針對各種功能定制具有不同分子的酶 - 納米粒子，以及修改細(xì)胞以使用不同的燃料。

“這個(gè)主題的未來計(jì)劃是擴(kuò)展所提出的各種酶的技術(shù)，這將使能量收集出許多不同的燃料(如葡萄糖，乳酸，酒精等)，”Trifonov說。“此外，我們的目標(biāo)是延長此類生物燃料 電池的使用壽命，同時(shí)測試自組裝過程的不同相互作用組合，以擴(kuò)大酶 - 磁 - 納米粒子雜化物所覆蓋的表面積(所展示技術(shù)的主要問題) )增強(qiáng)設(shè)備的最終功率輸出。“