（应用化学专业论文）电化学制备聚合物修饰酶电极及其在酶燃料电池中的应用.pdf

中文摘要 生物燃料电池是直接或间接利用酶作为电极催化剂的一种燃料电池。它通过 生物物质的催化作用将化学能转化为电能。输出功率偏低和使用寿命短是目前生 物燃料电池存在的主要缺点。 本论文以酶燃料电池为主要研究目标，从电极材料的选择和设计合成出发， 从提高电极的电子转移能力着手，提高生物燃料电池的电性能。研究以壳聚糖为 固定酶电极的基体，与电活性材料聚苯胺或碳纳米管复合修饰酶电极，并用双酶 电极构建酶燃料电池。 用电化学聚合的方法制备聚苯胺壳聚糖复合膜。通过壳聚糖与酶分子之间 的静电作用以及壳聚糖和酶分子交联得到的固定酶电极，提高酶的保持能力。通 过电化学沉积制备的聚苯胺壳聚糖复合膜修饰的酶电极比单独采用聚苯胺或壳 聚糖修饰酶电极具有更好的电化学响应性能。此外还研究了合成条件对酶电极的 影响。 研究了过渡金属离子掺杂的聚苯胺在中性溶液下的电化学性能。认为与质子 酸掺杂相比，在强酸性溶液中电子转移能力较低，但在弱酸性和中性溶液中电子 转移能力较高。通过比较不同p h 溶液中过渡金属掺杂的聚苯胺电极发现电极性 能基本不受溶液p h 值的影响。用过渡金属离子掺杂聚苯胺壳聚糖复合膜修饰酶 电极，与未经过渡金属离子掺杂的电极相比，不仅相应电流提高，而且响应时间 缩短。 利用合成的壳聚糖和碳纳米管的接枝产物制备酶电极，由于碳纳米管的存在 使电极的电子转移能力提高。用接枝产物的溶液作为电解液代替壳聚糖和碳纳米 管的混合溶液制备电沉积壳聚糖c n t s 膜。研究了壳聚糖接枝碳纳米管修饰电极 对h 2 0 2 的电化学催化行为以及壳聚糖接枝c n t s 修饰g o d 电极的性能。研究表明， 接枝电极能够降低电极过电位，有利于提高响应电流和催化效率。此外，用壳聚 糖接枝碳纳米管膜修饰的g o d 电极对葡萄糖溶液具有较高的响应电流。 以壳聚糖接枝碳纳米管修饰的漆酶电极作为正极，电化学方法制备的壳聚糖 聚苯胺复合膜修饰的g o d 电极作为负极，构成酶燃料电池。研究了酶燃料电池 的电压、输出功率等电性能，实验表明用聚苯胺和碳纳米管修饰的酶电极可以用 于生物燃料电池中。 关键词：生物燃料电池酶电极壳聚糖聚苯胺碳纳米管 a b s t r a c t b i o f u e lc e l li so n ek i n do ff u e lc e l l i tc o n v e r t sc h e m i c a le n e r g yi n t oe l e c t r i c a l e n e r g yd i r e c t l yo ri n d i r e c t l yw i t ht h ee n z y m ea se l e c t r o d ec a t a l y s t s t h e r ea r et w o o b v i o u sd i s a d v a n t a g e si nb i o f u e lc e l la p p l i c a t i o n ：t h el o w e rp o w e ra n dt h es h o r tl i f e i nt h i sw o r k ，f o u c so nt h ep e r f o r m a n c eo fb i o f u e lc e l l ，t h en o v e lm a t e r i a lw a s f a b r i c a t e da n dt h ee l e c t r o nt r a n s f e ra b i l i t yw a si m p r o v e d t h ec h i t o s a n ( c s ) w a su s e d 笛m a t r i xo fm o d i f ye l e c t r o d e ，t h ep o l y a n i l i n eo rc a r b o nn a n o t u b e sw a sa f f i l i a t e di n t h ec o m p o s i t ef i l m a ne n z y m a t i cb i o f u e lc e l lw a sc o n s t r u c t e da n dt h ep o w e ro u t p u t w a sm e a s u r e di nf i n a l t h em a i nr e s e a r c hw a si nf o l l o w ： a ne l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o nm e t h o df o rt h ef o r m a t i o no fac h i t o s a nc o m p o s i t e f i l mo na ne l e c t r o d eh a sb e e np r o p o s e d b yc o - e l e c t r o d e p o s i t e dp a na n dc h i t o s a n ，a s t r o n gf i l mi se x p e c t e dt of o r mt oi m p r o v ei t s c h e m i c a ls t a b i l i t y ，t h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ya n ds o l u b i l i t yu n d e rr e a d i l ya c c e s s i b l ec o n d i t i o n sa sw e l la l sp r o v i d e sa b i o c o m p a t i b l e e n y i r o n m e n tf o re n z y m ei m m o b i l i z a t i o n t h e s ef i l mw a so fg r e a t i n s t e r e s ti ni m m o b i l i z i n gg l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) f o rt h ea b o v er e a s o na n da l s o b e c a u s et h e yo f f e re l e c t r o s t a t i cf o r c ew i t hg o d t h ee l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e ro f c o m p o s i t ef i l mw a ss t u d i e da n d t h ep r e p a r a t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d c o n d u c t i n gp o l y a n i l i n ec o n t a i n i n gt r a n s i t i o nm e t a li o n sh a v ed i f f e r e n tf u n c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r e dw i t ht h ep o l y a n i l i n e sd o p e dw i t hc o n v e n t i o n a lp r o t o n i ca c i d i tc a nk e e pt h ee l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e ri nn e u t r a ls o l u t i o n t h ee l e c t r o c h e m i c a l p e r f o r m a n c eo fp o l y a n i l i n ed o p e dw i t ht r a n s i t i o nm e t a li nd i f f e r e n tp hs o l u t i o nw a s s t u d i e d i ti sc o n c l u s i o nt h a tp o l y a n i l i n ed o p e dw i t ht r a n s i t i o nm e t a lh a sl o w e r e l e c t r o nt r a i l s f e rt h a ni td o p e dw i t hp r o t o na c i d ，b u ti nn e u t r a ls o l u t i o n ，t h er e s u l tw a s r e v e r s e d p o l y a n i l i n ed o p e dw i t ht r a n s i t i o nm e t a li o n sa r es u c c e s s f u l l yu s e di ng o d e l e c t r o d e i th a sm o r er e s p o n s ec a p a b i l i t yt h a np o l y a n i l i n ed o p e dw i t hc o n v e n t i o n a l p r o t o n i ca c i d t h em o d i f i c a t i o no fe l e c t r o d e sw i t hac h i t o s a n c n tn a n o c o m p o s i t ew a s p r e p a r e db yg r a f tc s c n t ss o l u t i o nt h r o u g he l e c t r o d e p o s i t i o n c o m p a r ew i t h t h e c s c n t sm i x t u r es o l u t i o n ，n a n o c o m p o s i t ef i l me l e c t r o d e p o s i t i n gb yg r a f tc s - c n t s e x h i b i t e de x c e l l e n te l e c t r o c a t a l y t i ca b i l i t yi nh y d r o g e np e r o x i d e i th a sb e e np r o p o s e d a ne l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o nm e t h o df o rt h ef o r m a t i o no fg r a f tc s c n tm o d i f i e d e l e c t r o d e c o m p a r ew i t hc h i t o s a n c n tn a n o c o m p o s i t ef i l m ，t h eg r a f tc s c n t 4 m o d i f i e de l e c t r o d ep o s s e s se x c e l l e n te l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c ei nh y d r o g e n p e r o x i d e t h eg o de l e c t r o d ef a b r i c a t e du s i n gt h eg r a t tc s - c n t se x h i b i t e dh i g h e r r e s p o n s ec u r r e n tt h a nt h a to fc s c n t sc o m p o s i t i o n b i o f u e lc e l lw a sc o n s t r u c t e db ye m p l o y i n gt h ep a n c s g o da n o d ea n dt h e c s - c n t s l a c c a s ec a t h o d e t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t yo ft h ec e l lh a da l s ob e e nm e a s u r e d i ts h o w e dt h a tt h ec e l lc o u l ds u p p l yh i g h e rv o l t a g ea n db e t t e rc h a r a c t e r i s t i c i ta l s o i n d i c a t e dt h a tt h e s et w ok i n d so fm o d i f i e de n z y m a t i ce l e c t r o d e sc o u l db eu s e di n b i n f u e lc e l l k e yw o r d s ：b i o f u e lc e l le n z y m a t i ce l e c t r o d e c h i t o s a n p o l y a n i l i n e c a r b o nn a n o t u b e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者躲匆睁签字嗍淅7 年r 胁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨奎盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 躲衣i 彩 签字日期：沙妒7 年r 月；。日 导师签名： 乏移 签字日期：矽。7 年f 月弓。日 第一章绪论 第一章绪论 燃料电池是将燃料( 阳极反应物质，如h 2 ) 和氧化剂( 阴极反应物质，如 0 2 ) 直接转化为电能的装置。它的基本构造见图1 一l 。由于化石类燃料不断被人 类消耗而日益枯竭，同时随着便携式电子产品日益增长，不可避免带来关于电源 再处理的问题。燃料电池是一种可替代化石类燃料、环境友好的能源解决途径。 它的优点在于高效率和高可靠性，而且由于反应产物为水，因此具有良好的环境 效益。因此人们对燃料电池寄托了许多希望。二十世纪九十年代以后，质子交换 膜燃料电池( p e m f c ) 取得快速发展，使得以其为代表的燃料电池正逐步实现 产生匕化应用。 2 e 负载 专 。 图1 1 燃料电池的基本构造 f i g 1 - 1 b a s i cc o n f i g u r a t i o no ff u e lc e l l 燃料电池的分类方法有许多。按照电解质不同，燃料电池可以分为碱性燃料 电池( a f c ) 、磷酸燃料电池( p a f c ) 、熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 、固体氧 化物燃料电池( s o f c ) 、质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 五种。按照反应物的 来源可以分为直接型、间接型和再生型，见表1 1 。燃料电池中使用的燃料有些 是直接利用，有些是通过石油、天然气、烃类等物质重整后使用，还有一部分则 是通过生物或生化反应取得。 但是从能量供应的角度出发，燃料电池会有一些缺点。因为为了提高效率， 燃料电池的反应条件通常很苛刻：高温、高压以及需要强酸性或碱性环境。此外， 大多数燃料电池使用铂作为催化剂，铂的价格很高，来源匮乏，同时它容易受 c o 的影响而中毒。 第一章绪论 1 1 生物燃料电池 生物燃料电池( b i o l o g i c a lf u e lc e l l ，或b i o f u e lc e l l ，简称b f c ) 是指直接或间 接利用酶作为催化剂的一类燃料电池【l 】。利用非酶蛋白质作为生物催化剂也属于 生物燃料电池的范围。而最广义的生物燃料电池可以定义为利用生化途径的电化 学反应将化学能直接转变为电能的装置【2 j 。 利用生物物质产生电能最早是1 9 1 0 年由p o t t e r 实现的【3 】，他的实验中利用 e c o l i ( 一种微生物) 产生电能。但是p o t t e r 的成果并未引起人们的重视，直到1 9 3 1 年c o h e n 研制出的微生物燃料电池能够输出大于3 5 v 的电压，生物燃料电池才逐 渐成为一种潜在的电能提供装置【4 】。上世纪5 0 年代，美国宇航局开始对太空实验 中应用的微生物燃料电池进行研究，从5 0 年代末- 至u 6 0 年代初，这种电池的主要研 究目的是利用宇航员太空飞行过程中的生活垃圾产生电能。6 0 年代末期，直接使 用酶作为催化剂的b f c 也开发成功，应用于植入人体内的微型电子设备，如心脏 起博器电源【5 1 。8 0 年代，研究人员试图用生物燃料电池从天然作物的废弃物中产 生电能，出现了采用固定酶电极和电子介体的生物燃料电池。最近几年，固定化 酶电极技术取得很大进展，如层层组装技术、溶胶凝胶、氧化还原聚合物( r e d o x p o l y m e r ) 的设计与合成等先后应用于生物燃料电池研究中，出现的无膜生物燃 料电池，不仅在电池产生的能量密度、生物活性的保持等方面有了较大提高，同 时体积更加微型化，使生物燃料电池的研究进入新一轮活跃期。 和常规燃料电池相比，生物燃料电池具有更温和的反应条件( 常温，常压， 接近中性p h 值) 。电池中的催化剂并不采用金属铂，而是微生物( m i c r o o r g a n i s m ) 或者酶( e n z y m e ) 。生物燃料电池将储存在碳水化合物中的化学能，如糖类以及 醇类等，直接转变为电能。按其工作方式可分为两类：一类是酶生物燃料电池， 即直接利用不同的氧化还原酶催化电极反应；另一类是微生物燃料电池，就是利 用微牛物作生物催化剂，是间接利用微生物体内的酶。虽然微生物燃料电池具有 第章绪论 酶燃料电池所不具备的优点，如长期工作的稳定性和对燃料的催化效率较高，但 是由于传质过程受到生物膜的阻碍而导致输出能量较低。对酶燃料电池来说，虽 然作为催化剂的酶在生物体外寿命短，电池稳定性差，对底物的催化效率低，但 酶的含量高并且没有传质壁垒，因此可以产生更高的电流和输出功率，在微型电 子设备中有更广泛的用途。 。 根据酶电极中电子传递方式可以分为直接生物电极的生物燃料电池和间接 生物电极的生物燃料电池。直接是指燃料被电极的生物修饰材料催化反应的同 时，燃料分子直接与电极进行电子交换，生物催化剂直接催化电极表面的反应： 间接是指利用氧化还原介体的氧化还原反应实现燃料分子与电极的之间的电子 交换。用问接和直接生物电极的生物传感器分别被称为第二代和第三代生物传感 器，在生物燃料电池中，目前所用酶电极基本为间接生物电极。此外，还可以依 据是否为固定酶电极划分为固定酶电极生物燃料电池和非固定酶电极生物燃料 电池。根据电池中有无隔膜，生物燃料电池也可以分为双极室的生物燃料电池和 单极室的生物燃料电池。 生物燃料电池的优点在于能量转化效率高、生物相容性好、原料来源j “泛、 可以用多种天然有机物作为燃料，是一种真正意义上的绿色环保的新能源。特别 是酶生物燃料电池可以在室温和中性生理溶液中工作，在医疗、航天、环境治理 等领域均有重要的应用前景，如糖尿病、帕金森氏病的检测、辅助治疗【6 】【7 】以及 生活垃圾、农作物废物、工业废液的处理等。同时生物原料贮量巨大、无污染、 可再生，因此生物燃料电池产生的电能也是一个潜力极大的能量来源。近年来随 着对可再生能源和人体医疗技术发展的要求，对用于电子器件的微型酶燃料电池 的研究逐渐引起更广泛的关注，它们可以为植入体内的微型电子装置、实时检测 血糖含量的生物传感器等提供电能【引。 1 2 酶燃料电池的基本结构和性能 在酶燃料电池中，酶可以与介体一起溶解在底物( 燃料) 中，也可以固定在 电极上，后者由于催化效率高、受环境限制小等优点而具有更广泛的用途。在早 期的生物燃料电池系统中，由于正极和负极在相同的条件下工作，对使用环境， 如p h 值、温度、电解液组成等要求具有一致的适应性，往往采用气体扩散电极 与酶阳极或阴极相匹酣9 j 。近年来，随着修饰酶电极技术的发展，大多数酶燃料 电池研究工作均采用正、负电极均为酶电极的结构。此外，使用固定酶电极的酶 燃料电池为了防止两电极问电极反应物与产物的相互干扰，一般将正、负电极用 质子交换膜分隔为阴极区和阳极区，即两极室酶燃料电池，这与传统电池阴极 第一章绪论 隔膜阳极的结构相仿。1 9 9 9 年出现的无隔膜酶燃料电池，取消了隔膜、电池外 壳和相应的密封结构，可更方便地制备微型、高比能量的酶生物燃料电池。 1 2 1 两极室结构的酶燃料电池 图1 2 是一个两极室酶燃料电池的基本结构模型。用电子介体修饰的葡萄糖 氧化酶( e c1 1 3 4 ，g o d ) 电极作为电池的阳极，固定化微过氧化物酶1 1 ( m p 1 1 ) 电极做阴极。电池工作时，在g o d 的辅因子f a d ( 黄素腺嘌呤二核苷酸) 的催化 下葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯并最终转化为葡萄糖酸，产生的电子通过介体转移 到电极上，h + 透过隔膜扩散到阴极区；在阴极区，h 2 0 2 从电极上得到电子，在 m p 1l 的催化下与h + 反应，生成h 2 0 。反应方程如下【1 0 j ： 阳极： p 一胪葡萄糖j 业垒型塑坐屿 葡萄糖酸内酯+ h + + 2 e 阴极： i 图1 - 2 酶燃料电池的基本结构 f i g 1 - 2 b a s i cc o n f o r ml t i o no fe n z y m a t i cb i o f u e lc e l l 【1 o 】 w i l l n e r 用n a d h ( 还原态的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) 代替g o d ，阳极采用含 有n a d + ( 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸) 的脱氢酶( 乙醇脱氢酶、乳酸脱氢酶) ，阴 第一章绪论 极为修饰的m p 1 1 电极，燃料分别为醇和h 2 0 2 。制备的电池最大电流密度为 11 4 9 a c m 2 ，最大输出功率3 2 i t w t l l 】。p i z z a r i e l l o 的两极窜g o d 辣根过氧化物酶 ( h i 冲) 酶燃料电池，在不断补充燃料的情况下可以连续工作3 0 天以上【l 引，具 有一定的实用价值。 其它一些氧化还原酶，如漆酶( l a c ) 和胆红素氧化酶( b o d ) ，可以用作 0 2 还原的生物催化剂，0 2 被还原为水，有可能替代传统燃料电池中的贵金属催化 剂铂。如h u d a k 用漆酶与氧化还原聚合物水凝胶制备的阴极与铂做催化剂的阳极 组成的燃料电池，优点在于这种酶燃料电池可以在常温常压下工作。用氢做燃料， 电池的开压达到1 1 v ，最大电流密度为6 m a c m 2 【1 3 j 。该酶燃料电池还可以用甲 醇做燃料。国内长春应用化学研究所董绍俊等在酶燃料电池的研究领域也做了许 多工作。她们用g o d l a c 带l j 备的葡萄糖0 2 酶燃料电池，输出功率随体系p h 值变 化而改变，有可能为植入式微型设备提供能型。 以上这些两极室的酶燃料电池，需要隔膜、密封等辅助部件，增加了电池的 体积和重量，并且隔膜的存在会增加电池内阻，使电池的输出性能降低。此外隔 膜、电池壳等组件之问的密封也是一个需要解决的问题。因此近年来人们开始致 力于无隔膜的酶燃料电池研究i l5 1 。 1 2 2 无隔膜的酶燃料电池 k a t z 利用两种溶液形成的液液界面将阴极和阳极分开，取消了隔膜，从而 提高了电池的输出性能。这种酶燃料电池分别用异丙基苯过氧化物和葡萄糖做正 极和负极的燃料，电池的开路电压可以达到1 v 以上，短路电流密度达到 8 3 0 m a c m 2 ，最大输出功率为5 2 0 “w 【1 6 】。但用这种结构的酶燃料电池对阴极和阳 极以及底物溶液具有一定要求，因此使用条件受到限制。由于阴极和阳极仍然分 别处于两种不同液体环境中，严格来说它仍然是一个两极室结构的酶燃料电池。 单极室的无隔膜酶燃料电池采用均相混合溶液作为燃料不仅使电性能得到 提高，而且有利于电池微型化【17 1 。第一只单极室无隔膜酶燃料电池出现在1 9 9 9 年，电池阳极为单层组装的a p o g o d ( 不含辅基的葡萄糖氧化酶) 电极，阴极 为组装的细胞色素c 细胞色素c 氧化酶( c y tc c o d ) 电极。在l m m 葡萄糖溶液， 空气饱和的p h 7 缓冲液和2 5 0 c 的环境中工作，电池产生的最大电流密度为 1 1 0 1 t a c m 2 ，电压为0 0 4 v ，最大功率为5 1 a w c m 2 。该电池的缺点在于电压较低， 输出功率不高【1 8 】。这主要与用于正极和负极的酶电极电极电位有关，但是它为该 类电池的研究奠定了基础。 此后，h e l l e r 和他的合作者发表了一系列有关微型无膜葡萄糖氧燃料电池的 第一章绪论 研究成果【1 9 】【2 0 1 。如用p o l y n v i n y li m i d a z o l el o s ( 4 ，4 d i m e t h y l 2 ，2 b i p y r i d i n e ) 2 c l 】m + 修饰i 拘g o d 做阳极，阴极为在主链k 连接 o s ( 4 ，4 - d i m e t h y l 2 ，2 b i p y r i d i n e ) 2 ( 2 ，2 ，6 ，2 - t e r p y r i d i n e ) 2 州3 十i 拘p o l y ( n v i n y l i i n i d a z o l e ) 修饰的真菌漆酶( l a c ) 电极， 电池在氧饱和的p h 5 柠檬酸缓冲液中，1 5 m m 的葡萄糖溶液下工作。在2 3 。c 和 3 7 0 c ，电压为0 4 v 时，电流密度分别为1 6 0 r t a c m 2 和3 4 0 1 a a c m 2 2 1 1 。通过对酶、 固定酶的氧化还原聚合物等的改进，他们使电池输出功率达到1 4 0 p w c m 2 ，阳极 电流密度达到1 m a c m 2 以上，阴极电流密度超过5 m a c m 2 【2 2 】【2 3 】。其中m 粕。制备 的一种漆酶g o d 电池电压达到0 7 8 v ，是电压最高的酶燃料电池之一【2 4 】。特别 需要指出的是，这些酶燃料电池仅由两根经修饰的直径为7 1 a m 的碳纤维组成，不 仅是目前为止在各个系列电池中比能量最高，而且其体积也是其他电池难以达到 的。 由于漆酶在中性和含氯离子的溶液中活性降低，因此使用漆酶电极的电池不 能在人体中正常工作。用胆红素氧化酶( b o d ) 电极避免了这个问题。采用 b o d g o d 电极的酶燃料电池可植入人体内为牛物传感器提供电能，其工作电压 为o 5 2 v 时，电流为8 3 p a ，输出功率为4 3 p w 【2 5 - 2 7 1 。将b o d 和g o d 电极植于一 粒葡萄中，同样可以产生电流 2 8 1 o 虽然b o d g o d 电池的电压略低于l a c g o d 电 池，但是由于能够在生理盐水中工作，因此有很好的研究和应用价值。h e l l e r 已 经开始初步的实用化研究，他们将g o d 和b o d 电极植入皮下，实时检测糖尿病 人的血糖浓度【6 j 。 1 2 3 利用光能的酶燃料电池 将酶燃料电池与光伏电池结合也是最近的研究成果。酶电极与光能转换电极 结合，通过一个多步骤的催化过程，可以实现生物催化的光能电能的转换， 这种光酶混合燃料电池为利用有机体实现光电转换提供了一个新的思路【2 9 1 。 g u s t 的研究小组用含有纳米t i 0 2 微粒并涂有卟啉感光剂的i t o 玻璃做电极材 料，电池的开路电压可以达到1 1 v 3 0 】。其工作原理是当光照射到阳极，电子从 激发态的卟啉感光剂s 转移到涂有纳米s n 0 2 的导电i t o 玻璃电极( c b ) 上，失去电 子的卟啉感光剂s 从酶电极氧化还原对n a d ( p ) h n a d ( p ) + 重新得到电子，转变 为s o 。葡萄糖脱氢酶氧化葡萄糖同时将s 叶与n a d ( p ) h 的反应) 蝴j n a d ( p ) + 还原为 n a d ( p ) h ，见图1 3 。这个电池还可以用乙醇做燃料。 这种光酶混合燃料电池的研究尚处于初级阶段，目前只局限在对阳极的研 究，没有与之配对的光酶阴极，所以这种生物燃料电池仅能认为是准混合光酶 燃料电池。 第一章绪论 p h o t o a n o d e 图1 - 3 光生物混合燃料电池的示意图【3 l 】 f i g 1 - 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh y b r i dc e l l l 3 1 】 1 2 4 酶燃料电池的性能 至今为止实用型酶燃料电池的开发尚处于基础研究阶段，真正的应用性成果 还较少。由于生物传感器与酶燃料电池之间存在很多技术交叉，因此生物传感器 研究也促进了酶燃料电池研究的发展，表现在固定酶电极的修饰材料、酶电极的 稳定性、酶催化的选择性等方面。但与生物传感器使用时消耗能量不同，酶燃料 电池是产生电能的装置，两者在工作电流( 响应电流) 、电压、工作稳定性、抗 干扰性等方面的要求存在一定差别。 目前对酶燃料电池进一步研究工作主要集中在通过对电极反应动力学的研 究提高催化效率和稳定性，通过研究酶的热力学特性并通过蛋白质工程对酶的改 性提高电池的输出及寿命等方面。对制备酶电极所用的材料、人工合成酶、酶电 极修饰结构和修饰方法的改进使其在室温和生物环境中具有较高的反应催化效 率。几种主要的酶燃料电池的性能见表1 2 。 哥 冒石f冒富f胃 =巴巴巴巴皂= = p o n 世h 蝼蜊 装念慧辟唇丑集怅坩 匣n靶肇墨d疑缝辎烈怅寸0n i i n n p o n o o n (a式oo拦脚一-毫事杀一o 。目u昌价oo n昌ui吾nn 一n乜。鹾脚一、iir要事t1 n 寸 (人o甾脚一，口i。nn 一心。兰脚一、旨暑寸 ，3暑兰 ，u 宅导，u，、皂口 一g_8n状爱脚畚一n昌u号= 暑ugn0 n n o n _ o n 田o 0 _ 1 i o 卜n o n 寸一o 价n 一o 卜卜n o 口o 占篁器帮糖 no器婶耀ho鞭搏掘no馨婀牾no姆姆释no器婶牾no器龋耀 让旺 n i 旺苔亘毒葭 纂姆器 鞋闷 no絮婀耀 d 砬闷 壶qoo q o 、 i q o 一ouu笑望qoo q o q o o u母一、qoo q o q o o _dqov髓蛹婆鞭婀袒 娶qv锚蛹婆餐密件鹾 u 矗一 厶 d至冥qod， q口一一l随懈恩昌盛 qo、工qo口口 qo溢嫡誉硅rz 藿蚁帮瓢 嬉豫 返串k 蜮 掣一墩 宴鬟 幂皋掣霉刊 一苟u q n j u11日昌，(n蜀q皇百昌-o ouli四皇jjojiq qoo届卜 涩掣是脚霎鬟镒g酶州毒rlr n - i 僻 秘姆 摒，躲 第一章绪论 酶生物燃料电池中的酶电极 1 3 1 酶电极对电池性能的影响 理想的酶燃料电池需要有较高的输出功率w ( w = 电池电压v 训电流i c e l l ) ， 即高电流和高电压。这就要求在电池的电极设计中更多的考虑过电位、欧姆极化、 传质过程的影响，使电极输出电流密度最大化。一般来说，根据酶电极中电子的 转移方式不同可以分为使用电子介体的电极和直接电化学电极，见图1 _ 4 。 b f u e l 图1 - 4 酶电极连接的两种方式示意图 a ：电子介体电极；b ：直接电子转移电极 f i g 1 - 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t w ok i n d so f e n z y m el i n k i n gt oe l e c t r o d e a ：m e d i a t o re l e c t r o d e ；b ：d i r e c te l e c t r o nt r a n s f e re l e c t r o d e 虽然电极的直接电化学( 直接电子转移，d i r e c te l e c t r o nt r a n s f e r ) 可以用碳纳 米管、纳米金等修饰材料实现1 3 9 矧，但是这种电极还没有用于酶燃料电池的报 道。大多数酶燃料电池电极仍用电子介体参与酶电极的电极反应过程。不同的电 子介体，如小分子染料、二茂铁系化合物、氧化还原聚合物等，可以改变电极电 位，提高酶燃料电池的开路电压和工作电压。由于对大多数酶( 如葡萄糖氧化酶) 来说，催化反应的活性中心被多肽链包围，使电极导电体与酶催化反应中心之间 的电子转移受到阻碍，造成酶燃料电池的输出电流较低。通常采用加入导电物质 第一章绪论 或氧化还原聚合物修饰电极的方法【4 1j 【4 2 1 ，实现酶活性中心与电极之间的直接电 连接( d i r e c te l e c t r i c a lc o m m u n i c a t i o n ) ，这种直接电连接为在固定酶电极中的快 速电子转移建立一个通道。如j u n g 谚l ：究了用羧酸化多壁碳纳米管固定g o d 石墨电 极【4 3 1 。采用各种不同的氧化还原单酶电极或多酶电极也是重要的改进途径【州。 近年来国内外学者在酶电极研究中取得很多成果，对酶燃料电池电极研究有重要 的借鉴作用【4 孓4 9 1 。 此外，酶燃料电池需要在几个月甚至更长的时间内连续稳定工作，这不仅要 求电极修饰材料具有一定的牛物相容性，而且要求酶必须适应人体生理环境或其 它使用环境，以保持长期工作下酶的催化活性。这对于氧化还原酶来说还比较困 难，因此目前的酶燃料电池连续工作时间较短，一般在几天至一个月左右。电池 寿命主要与酶的特性有关，温度、p h 值、溶液中离子的组成与浓度等环境因素 的也会有很大影响。 1 3 2 酶分子及其催化动力学 氧化还原酶是酶燃料电池所使用的生物催化剂，与电池性能直接相关。因此 这里对酶燃料电池中涉及到的有关问题做简单概述。生命体系中存在大量的生化 反应，而几乎每一种牛化反应都有酶作为生物催化剂介导。生化研究表明，酶催 化与其他物质的催化行为具有相似性，但是它在某些方面与其他化学催化剂明显 不同。这些特点决定了酶燃料电池的一些特性，表现在以下几点： ( a ) 具有更高的催化反应速率； ( b ) 温和的反应环境，反应温度可以为常温、常压和接近中性的p h 值环境： ( c ) 催化反应的专一性，酶催化比其他化学催化具有更好的识别反应底物 和产物的专一性； ( d ) 灵活的调节能力，许多酶催化活性不仅取决于底物的浓度，而且还取 决于非底物的浓度，其调节能力包括结构调节、共价修饰、合成酶数量的变化。 酶的种类很多，人们通常以酶的催化反应性质为酶分类和命名。其中，蛋白 类酶( r 酶) 一般分为氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、合成酶 等。酶燃料电池中，酶电极所采用的酶均为氧化还原酶。 一般来说，r 酶由蛋白质和辅基组成。虽然蛋白质官能团可以参与酸碱反应， 形成一定类型的共价键，或者参与电荷电荷间的相互作用，但是并不能用于催 化氧化还原反应和一些官能团的转移反应，在酶分子中起催化作用的是小分子的 辅因子( c o f a c t o r ) ，也称为辅基。辅基可以是金属离子，如z n 2 + 、c u 2 + 、f e 等， 也可以是有机分子，此时有机分子也可称为辅酶，如f a d + 和n a d ( p ) + 。一些辅 第一章绪论 基，如n a d ( p ) + ，仅瞬间与酶分子缔合，起到共底物的作用，而另一些辅基，通 过共价键与蛋白质结合，如细胞色素c 的血红素辅基就是通过血红素与蛋白质的 侧链之问的许多氢键、共价键等结合。具有催化活性的酶辅基称为全酶 ( h o l o e n z y m e ) ，去掉辅基后无活性的酶称为脱辅基酶( a p o e n z y m e ) 。 酶和底物键合的非共价力包括范德华力、静电力、氢键和疏水相互作用。通 常，酶分子的表面上与底物结合区有一个缺口或裂缝，正好与底物的形状互补( 几 何互补，g e o m e t r i cc o m p l e m e n t a r i t y ) 。结合区的氨基酸残基排布构成与底物吸引 ( 中性互补，e l e c t r o n i cc o m p l e m e n t a r i t y ) 的专一作用方式。与底物形状或功能团 分布不同的分子不能够有效的与酶结合。此外，大部分酶的底物结合区在与底物 键合时会有一些构型的改变( 诱导楔合) 。互补性是酶与底物相互作用的钥匙模 型的基础，该模型由e f i s c h e 在1 8 9 4 年提出。 根据过渡状态理论( t r a n s i t i o ns t a t et h e o r y ) ，催化剂通过降低被催化反应的 过渡态自由能而起作用。与其他化学催化剂一样，酶降低了过渡态的自由能，使 催化反应的过渡态变得更加稳定。酶催化基团的排列使得其与底物之间的结合具 有特异性，酶催化的反应机理可以分为酸碱催化、共价催化、金属离子催化、静 电催化、靠近合定向效应、过渡状态配合物的优先选择结合等。 酶反应动力学( e n z y m ek i n e t i c s ) 的研究从二十世纪初就开始了。在不同条 件下酶催化反应速率的变化揭示出反应物的转化途径，说明反应机制。动力学数 据结合了酶结构和催化机制的信息。1 9 1 3 年，l e o n o rm i c h a e l i s 和m a u dm e n t e n 在前人基础上，提出著名的计算反应速率常数的m i c h a e l i s m e n t e n 动力学方程， 即米氏方程： v o = ( v 雌【s 】) ( 1 时【s 】) 其中，为v 0 反应速率，v m a x 为反应的最大速率，k m 为米氏常数( m i c h a e l i s c o n s t a n t ) ，k m = ( k l + k 2 ) k 1 。当底物浓度 s 】- k m 时，v 0 = v 。眦2 ，因此，k m 是反应 速率达到一半时的底物浓度。可见，若酶的k m 值小，则它在低底物浓度下即可 达到最大催化效率。 1 3 3 固定酶电极 固定酶电极是生物燃料电池研究的重要领域，可以说固定酶电极性能直接决 定b f c 的性能水平。生物燃料电池对酶电极的要求主要有： 第一章绪论 ( 1 ) 酶电极在燃料介质中具有氧化还原电位，这是作为燃料电池的基本要 求； ( 2 ) 酶电极上的氧化还原酶、电子介体、电极修饰物能够固定在电极表面， 不会流失到溶液中； ( 3 ) 酶催化反应活性中心、修饰物、电极三者之间具有快速的电子转移能 力： ( 4 ) 具有生物亲和环境，能够使酶保持较长时间连续工作的稳定性； ( 5 ) 提高酶催化效率和酶活性保持时间； ( 6 ) 对不同底物( 燃料) 的催化能力。 酶燃料电池电极研究中必须要建立符合上述要求并且制备过程简单、效果良 好的电极制备方法。 对酶电极的改进一般通过酶工程和化学修饰电极技术完成。其中酶工程包括 化学酶工程和生物酶工程。目前对酶燃料电池电极的改进方法多集中于化学酶工 程，即酶的化学修饰、酶的固定化、人工合成酶等。 酶的化学修饰是利用化学手段将某些化学物质或基团结合到酶分子上，或将 酶分子的某些部分删除或置换，以改变酶的物化性质，最终达到改变酶的催化性 质的目的。随着基因工程、分子生物学、蛋白质工程、有机合成等技术的发展， 酶的大分子物质化学修饰技术也发展起来，在修饰试剂的选用和修饰方法上有较 大的进展。酶的化学修饰方法主要有： ( 1 ) 修饰酶的功能基团，如修饰酶分子中的氨基、羟基、咪唑等可离解基 团，由此发展出的酰化法、烷基化法、丹磺酰氯法等； ( 2 ) 酶分子内或分子问的交联； ( 3 ) 酶分子与高分子化合物的结合。 酶的固定化方法较多，主要有吸附法、交联法、微胶囊法、分子组装法、溶 胶凝胶法等。其主要研究进展在于新载体和新方法以及新机理研究等。 人工合成酶的研制是模拟酶的催化功能，用化学合成法合成的一类有机催化 剂。由于天然酶存在分离、培养、保存、稳定性、固定化等问题，因此人工合成 酶成为一种研究改进的重要途径。人工酶在结构上必须有两个特殊部位底物 和催化结合点位。 ， 聚合物薄膜修饰电极是化学修饰电极中十分重要的发展方向，其中电活性聚 合物修饰电极是酶燃料电池中最常见的酶电极。包括氧化还原聚合物薄膜酶电 极、离子交换聚合物薄膜酶电极、导电聚合物薄膜酶电极等。其中导电聚合物电 极与前两种不同，除离子导电性之外，最明显的特征是具有电子导电性。 第一章绪论 1 3 4 电子介体 对于普通燃料电池，电极上的金属催化剂同时也是电子的受体，所以催化反 应产生的电子直接由催化剂转移至电极，电子传递在整个电池过程中不是限制步 骤。而在酶燃料电池中，酶是吸附在电极表面上的催化反应，催化反应的