生物燃料電池陽極智慧型開關的研究

《生物燃料電池陽極智慧型開關的研究》是依託揚州大學，由薛懷國擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：生物燃料電池陽極智慧型開關的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：薛懷國
• 依託單位：揚州大學

項目摘要

為實現生物燃料電池的智慧型化控制放電，本項目擬將智慧型高分子及其複合材料套用於生物燃料電池陽極的構建，開發新的陽極智慧型開關。這種智慧型開關的工作模式是通過智慧型材料受外部環境（如電位、pH、溫度等）刺激而產生相應性質（如電導率、溶脹/收縮狀態、滲透性等）的變化，來影響陽極生物電催化反應過程中的電子傳輸、物質擴散等，從而實現對生物燃料電池工作狀態的智慧型開關控制。研究智慧型材料與生物分子之間的相互作用，以尋求適宜的固定方法將生物分子和氧化還原媒介體固定在智慧型材料修飾的電極上，實現生物催化、電子傳輸以及智慧型控制三種功能為一體。研究生物分子在智慧型材料中的催化活性及活性分布，掌握智慧型材料的組成、結構以及構築參數對生物燃料電池陽極開關智慧型控制行為影響的基本規律。用智慧型開關構築不同類型的生物燃料電池，模擬電池在生物體內的開關式工作狀態。

結題摘要

智慧型化植入式生物燃料電池在疾病診斷和治療領域有著廣闊的套用前景。本項目主要在電極界面上設計和構築具有刺激相應性的智慧型高分子膜，並將其套用於生物電催化的智慧型控制和生物燃料電池智慧型開關。分別採用聚2-氨基吡啶、聚苯胺及其衍生物、含羧基和吡啶基共聚物修飾電極構築pH調控的電催化和生物催化“開關”。結果表明：當溶液pH值改變時，不同電化學探針在聚合物修飾電極上表現了不同的開關效應，這些智慧型高分子修飾的電極均可以用來調控以鐵氰化鉀為氧化還原媒介體、辣根過氧化酶催化還原過氧化氫的生物化學反應，這種調控機理主要是由於聚合物相應性質（如荷電性質、電導率、溶脹/收縮狀態、滲透性等）的變化，從而影響了電催化反應過程中的電子傳輸、物質擴散、聚合物與電化學探針之間的靜電作用而導致。研究智慧型材料與生物分子之間的相互作用，利用兩親嵌段共聚物在油/水界面的相分離和親疏水特性發展了生物活性界面構築的新方法（電荷兩親性雙驅動自組裝法），實現了生物分子在電極界面的定向排列，使生物分子的催化活性得到充分顯現，加快了電子傳遞速率，為生物燃料電池和生物感測器的發展奠定了理論基礎。在所得到的智慧型電極上固定葡萄糖氧化酶後，可實現葡萄糖生物催化反應的智慧型控制；以此類電極作為陽極，以漆酶修飾電極，以葡萄糖為燃料構築生物燃料電池，實現了對生物燃料電池工作狀態的智慧型開關控制；在pH4和7時電池的開路電壓產生了“開關”式變化，且該變化是可逆的。通過改變載體量、生物膜厚度、酶濃度等條件來最佳化生物電極的構築，通過工作電位、溫度的控制尋找生物催化的最佳工作參數。考察了生物燃料電池的“開關”特性和在“活性狀態”下的輸出功率、輸出電壓等。探索了電池性能（智慧型控制的回響時間、回響可逆性、轉換次數、電池使用壽命等）與構築參數之間的關係。同時還拓展了本項目研究過程中所涉及的聚苯胺及其衍生物、兩親嵌段共聚物、含羧基和吡啶基共聚物等功能材料在超級電容器、電化學感測器、催化等領域中的套用基礎研究，得到了以間氨基苯酚為基底的高生物活性的電化學免疫感測器，優異倍率性能和循環使用壽命的聚苯胺及其衍生物複合電容材料，對甲醇具有極好的催化活性和抗毒性能的聚間苯二胺基電催化材料。