电化学2-4生物电池

1、 生物电池第七节 生物电池生物电池的定义：生物电池的定义： 生物电池，是利用碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪等为原料，通过酶分解来发电的一种装置，即是将生物质能直接转化为电能的装置，从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能。 主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。生物电池的分类：生物电池的分类：单步反应型生物电池（生物体内的氧化还原物质发 生氧化还原反应制成的生物电池）生生 物物 电电 池池多步反应型生物电池（生物体内外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池）细胞型生物电池（生物体细胞外的氧化还原物质发生

2、氧化还原反应制成的生物电池）生物电池的分类：生物电池的分类：生物电池的工作原理：生物电池的工作原理：以索尼公司开发的新型生物电池为例以索尼公司开发的新型生物电池为例 生物电池包括一个由糖分解酶和介质组成的阳极，一个由氧再生酶和介质组成的阴极，这两端由玻璃纸分隔开。 阳极释放电子，氢离子通过下面的过程通过氧化酶的作用从葡萄糖中分解出来。葡萄糖 葡糖酸内酯2H+2e- 氢离子穿过隔离器向阴极移动，一旦抵达阴极氢离子和电子就和氧结合产生水。 (1/2)O22H+2e- H2O 在这一过程电化学反应当中，电子穿过外部的线路产生电能。 阳阳 极极阴阴 极极糖分解酶糖分解酶介介 质质介介 质质氧再生酶氧再

3、生酶玻玻璃璃纸纸葡萄糖葡萄糖葡萄酸内酯葡萄酸内酯生物电池发展史：生物电池发展史： a. 1911年,英国植物学家Potter用酵母和大肠杆菌进行实验，宣布 利用微生物可以产生电流，生物电池研究由此开始； b. 40多年之后,美国空间科学研究促进了生物电池的发展，当时研 究的目标是开发一种用于空间飞行器中、以宇航员生活废物为原 料的生物燃料电池； c. 从60年代后期到70年代，直接生物电池逐渐成为研究的中心。 热点之一是开发可植入人体、作为心脏起搏器或人工心脏等人造 器官电源的生物电池； d. 80年代后，氧化还原介体(Mediator)的广泛应用 ，相关的研究大 多集中于阳极； e. 近年，

4、开发无隔膜的生物电池；生物电池的最新成果：生物电池的最新成果： 2007年8月，Sony公司宣布开发出一种新型的生物电池，这种电池通过使用生化酶作为催化剂，将碳水化合物（糖）转换为电能输出。开创了生物电池的新纪元。 50mw/40cc 2009年，在FC expo(国际氢燃料电池展)上，Sony公司演示了喝“可乐”的生物电池，所发的电力带动与马达连接的风扇。70mw/28cc 索尼发明的这种系统使用了有效的固化酶和相关介质，同时保持了阳极上酶的活性。该公司还开发出了一种新型阴极结构，可以有效地为电极供应氧，又能够确保适当的水分。正是应用了这两种技术优化的电解液，才实现了高能量的输出。生物电池的

5、优点：生物电池的优点： 生物电池为人们所重视，有它的独特优点： a. 原料广泛，可以利用一般电池所不能利用的多种有 机、无机物质作为原料，甚至可利用光合作用或直 接利用污水等。 b. 操作条件温和，由于酶的催化作用，一般是在常温、 常压、接近中性的环境中工作的。 c. 对环境友好，不含普通电池所有的酸碱，重金属等污 染物，不会对环境造成危害，是典型的绿色电池。 生物电池的应用：生物电池的应用： 航天工业 电子工业 化学、化工研究 便携式移动电源 医疗应应 用用 领领 域域影响生物燃料电池性能的主要因素：影响生物燃料电池性能的主要因素： a. 燃料氧化速率； b. 电子由催化剂到电极的传递速率；

6、 c. 回路的电阻； d. 质子通过膜传递到阴极的速率以及阴极 上的还原速率； e. 对周边环境敏感； 解决办法：解决办法： a. 对酶的外壳进行修饰，再将其固定到电极表面 从而实现电子的直接传递； b. 直接用导电聚合物固定酶，使导电聚合物深入 到酶的活性中心附近，从而大大缩短电子传递 的距离，实现电子的直接传递； c. 通过在电极表面进行贵金属纳米粒子、以及碳 纳米管等物质的修饰，利用纳米粒子的尺寸效 应、表面效应等奇妙的特性来实现直接的、快 速的电子传递；生物电池的发展前景生物电池的发展前景 生物电池的潜在市场是巨大的，因为它原料的广泛可取性以及能够提供清洁高效的能量。生物电池技术的适用性和灵活性将会扩展其潜在的市场，这个市场包括从小型的便携式动力装置到中等规模的工业用动力装置。全世界范围内进行的产品研发活动正努力把可能变为现实。不久的