基本介紹
- 中文名：酶生物燃料電池
生物燃料電池(BFC)是以有機物為燃料,直接或間接利用酶作為催化劑的一類特殊的燃料電池。
它的研究始於上世紀50年代,最初人們希望利用人的體液或代謝物實現電能轉換,套用於人體內微型電源或在航天飛行中處理太空人的生活垃圾等。生物燃料電池最早出現在1964年,為植入體內的心臟起博器提供電源,但由於電池產生電量小而沒有實現市場化。1980年代,研究人員試圖用生物燃料電池從天然作物的廢棄物中產生電能,出現了採用固定酶電極和電子介體的生物燃料電池。近年來,固定化酶電極技術取得很大進展,如分子自組裝方法、溶膠-凝膠法以及氧化還原聚合物(redoxpolymer)的設計與合成等先後套用於生物燃料電池研究中,得到無膜生物燃料電池。這不僅在電池的輸出功率、微生物或酶活性的保持等方面有了較大提高,同時體積更加微型化,使生物燃料電池的研究進入新一輪活躍期。生物燃料電池能量轉化效率高、生物相容性好、原料來源廣泛、可以用多種天然有機物作為燃料,是一種真正意義上的綠色電池。它在醫療、航天、環境治理等領域均有重要的使用價值,如糖尿病、帕金森氏病的檢測、輔助治療以及生活垃圾、農作物廢物、工業廢液的處理等。同時生物原料貯量巨大、無污染、可再生,因此生物燃料電池產生的電能也是一個潛力極大的能量來源。它可以直接將動物和植物體內貯存的化學能轉化為能夠利用的電能。近年來隨著對可再生能源和人體醫療技術發展的要求,生物燃料電池逐漸引起更廣泛的關注。
生物燃料電池可以分為直接使用酶的酶燃料電池和間接利用生物體內酶的微生物燃料電池。雖然生物燃料電池具有酶燃料電池所不具備的優點,如長期工作穩定性好以及對燃料的催化效率較高等,並且由於在傳質過程受到生物膜的阻礙導致電能轉換效率較低。雖然酶燃料電池中酶在生物體外催化活性保持比較困難,電池穩定性差,但由於酶催化劑濃度較高並且沒有傳質壁壘,因此有可能產生更高的電流或輸出功率,在室溫和中性溶液中工作,滿足一些微型電子設備或生物感測器等對電能的需求。
結構
圖1是一個兩極室酶燃料電池的基本結構模型。用電子介體修飾的葡萄糖氧化酶(EC 1.1.3.4,GOx)電極作為電池的陽極,固定化微過氧化物酶-11(MP-11)電極作陰極。電池工作時,在GOx的輔因子FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)的作用下葡萄糖轉化為葡萄糖酸內酯並最終轉化為葡萄糖酸,產生的電子通過介體轉移到電極上,H+透過隔膜擴散到陰極區;在陰極區,H2O2從電極上得到電子,在MP-11的作用下與H+反應,生成H2O2
