天津工業(yè)生物所科研人員在制備酶電極。
酶燃料電池是一類(lèi)以酶為催化劑、將底物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的燃料電池，它具有可持續(xù)、安全、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。如果說(shuō)酶燃料電池是一座水庫(kù)，能量密度、功率密度、穩(wěn)定性和電壓就是橫在水庫(kù)門(mén)前的“四座大山”。那么，對(duì)于酶燃料電池的研究要如何爬過(guò)這些“高山”才能將“水庫(kù)”中的水釋放出來(lái)呢?
近日，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員朱之光與青島大學(xué)教授劉愛(ài)驊及法國(guó)Aix Marseille大學(xué)教授Elisabeth Lojou等人聯(lián)合在國(guó)際期刊《化學(xué)綜述》上發(fā)表論文，綜述了酶燃料電池的工作機(jī)理和發(fā)展現(xiàn)狀，并探討了有關(guān)酶燃料電池的四種主要限制因素的可行策略和解決方法。
酶燃料電池研究的五十載起伏
朱之光告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，酶燃料電池的概念于上世紀(jì)60年代由日本科學(xué)家Yahiro最早提出，即用人體的代謝廢棄物來(lái)發(fā)電。受此啟發(fā)，在接下來(lái)的十幾年中，伴隨蓬勃發(fā)展的載人航天事業(yè)，美國(guó)宇航局(NASA)開(kāi)始在這方面布局，欲實(shí)現(xiàn)航天員產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物在太空中循環(huán)利用。
然而，這個(gè)階段的研究，除了在酶化學(xué)反應(yīng)、電子傳遞機(jī)理等基礎(chǔ)理論方面積累了一些認(rèn)識(shí)，因受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，在應(yīng)用方面并未取得突出成果，主要是由于很難將反應(yīng)所需的酶固定到電極上。
直至上世紀(jì)90年代，由于油價(jià)飆升，酶燃料電池同各種可再生能源一起，重新得到了重視，并逐步誕生了多酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)等手段，能夠解決一些應(yīng)用問(wèn)題。
到2010年左右，隨著美國(guó)以及日韓、歐洲的一些大公司和研究機(jī)構(gòu)的廣泛加入，酶燃料電池的研究進(jìn)入應(yīng)用階段。以索尼公司為代表，其2007年開(kāi)發(fā)的酶燃料電池功率就已經(jīng)達(dá)到了鋰離子電池的水平，可以用于驅(qū)動(dòng)mp3播放器。
時(shí)至今日，酶燃料電池在便攜式設(shè)備、可穿戴設(shè)備和可植入設(shè)備等場(chǎng)景中具備相當(dāng)?shù)膽?yīng)用潛力。
朱之光介紹，便攜式設(shè)備指的是充電寶、手機(jī)等小型移動(dòng)電子產(chǎn)品。在這類(lèi)設(shè)備中，酶燃料電池不需充電，而以外加甲醇、氫氣、糖類(lèi)等燃料的方式完成補(bǔ)給，每次可以連續(xù)使用數(shù)天。
而后兩類(lèi)設(shè)備需要依靠生物體內(nèi)部的血糖、脂肪、體液等化學(xué)物質(zhì)供電。其中可穿戴設(shè)備指的是手環(huán)、頭盔、體表監(jiān)測(cè)器等設(shè)備，需要貼合或穿戴在生物體體表，而可植入設(shè)備則需要被嵌入到生物體內(nèi)，如起搏器、體征監(jiān)測(cè)器等。
那么，酶燃料電池是如何工作的呢?
對(duì)人體友好的酶燃料電池
朱之光告訴記者，同其他燃料電池相似，酶燃料電池也是將底物在陽(yáng)極催化氧化，釋放電子，向電路供電，并最終傳遞至電池的陰極，將氧氣還原為水，從而實(shí)現(xiàn)將底物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。只不過(guò)，酶燃料電池的電極反應(yīng)都是由酶催化完成的。
那么，這類(lèi)反應(yīng)有什么好處呢?朱之光給出的回答是，酶催化反應(yīng)具有綠色、安全、環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。
首先，適合酶燃料電池的底物眾多，普適性高。同無(wú)機(jī)電池底物及催化所需的多種貴金屬、重金屬和稀有元素相比，酶燃料電池所需的氫氣、甲酸、甲醇、糖類(lèi)等資源分布廣，且易獲得。既可以通過(guò)化工路線合成，也可以通過(guò)農(nóng)業(yè)種植得到。
其次，有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的能量密度潛力很高，比如糖的能量密度就遠(yuǎn)大于鋰電池。而且，這類(lèi)反應(yīng)很安全，不需要高溫高壓催化反應(yīng)，沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)。
同時(shí)，酶催化反應(yīng)最重要的特點(diǎn)是具有高特異性。這使得這類(lèi)反應(yīng)幾乎沒(méi)有副產(chǎn)物，而且反應(yīng)的底物也不需要特別純化，反應(yīng)裝置也可以設(shè)計(jì)得比較簡(jiǎn)單，因此易于小型化。
四座大山和水庫(kù)放水
然而，酶燃料電池目前在能量密度、功率密度、穩(wěn)定性和電壓等方面還受到技術(shù)條件的制約。
朱之光說(shuō)，從一開(kāi)始，如何讓酶催化反應(yīng)盡可能更加完全、將底物“吃干榨凈”就是一個(gè)主要問(wèn)題。酶燃料電池的能量密度潛力很高，就像有一水庫(kù)的水，卻倒不出來(lái)。多酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，也就是用一條反應(yīng)線路上各個(gè)步驟所需的多種酶聯(lián)合催化，為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一條有效的技術(shù)路徑，能夠?qū)崿F(xiàn)燃料的深度或完全氧化從而完全釋放能量。現(xiàn)在，有的研究已能達(dá)到每克幾千毫安時(shí)的能量密度，已超過(guò)鋰電池的水平。
酶燃料電池的功率密度將決定它的應(yīng)用，如何才能讓水庫(kù)里的水快速地流出來(lái)呢?
電池在陽(yáng)極釋放電子包括反應(yīng)產(chǎn)生電子和電子的傳遞兩個(gè)過(guò)程。朱之光介紹，在提高反應(yīng)速率方面，目前主要是盡可能選用高活性酶或者用生物工程手段改造酶來(lái)提高酶活性來(lái)解決。
而為了提高電子傳遞的速率，就需要仔細(xì)地研究酶在電極中的空間分布和取向，設(shè)計(jì)電子傳遞的路徑，并對(duì)電極進(jìn)行修飾，優(yōu)化酶與電極接觸的方式。
傳統(tǒng)的物理方式用增大電極表面積來(lái)提高功率，然而這勢(shì)必將影響到電池的小型化。而如果使用具有還原活性的小分子電子載體如二茂鐵、甲基紫精等，先將電子快速地轉(zhuǎn)移到這些“公交車(chē)”上，再轉(zhuǎn)運(yùn)到電極，就可以加快電子傳遞的速率。
酶燃料電池的壽命取決于酶在電極中工作的穩(wěn)定性。在這方面的提高可以用物理吸附、化學(xué)交聯(lián)等方法將酶固定在電極上，固定后的電極能夠穩(wěn)定工作，甚至可以反復(fù)拆卸使用。
有時(shí)，植入人體內(nèi)的電極會(huì)因人體內(nèi)的物質(zhì)導(dǎo)致電極阻塞，使底物或氧氣無(wú)法到達(dá)電極，參與反應(yīng)。此時(shí)就需要用特殊的高分子聚合物包埋電極，將電極和阻塞物隔開(kāi)。
朱之光告訴記者，有些酶的活性對(duì)環(huán)境很敏感，此時(shí)需要在電極處模仿酶工作最優(yōu)的溫度、濃度、pH值等微環(huán)境，還可以先把酶放在細(xì)胞表面，再放到電極上，這稱(chēng)之為細(xì)胞表面展示。還有些酶比如以氫氣為原料的氫酶害怕氧氣，這就需要為這類(lèi)酶提供防護(hù)基質(zhì)，將氧氣隔絕。
另一個(gè)制約酶燃料電池應(yīng)用的因素是電壓，受限于生化反應(yīng)的特點(diǎn)，電壓最難提高。例如使用前述的小分子電子載體，雖然可以使傳遞速率變快，但會(huì)降低電壓。
朱之光認(rèn)為，可以通過(guò)優(yōu)化電子載體、串聯(lián)多個(gè)電池或外加增壓器等方法提高電壓。
據(jù)朱之光介紹，應(yīng)用這些技術(shù)，現(xiàn)在酶燃料電池已經(jīng)能夠做到功率密度接近10mw/cm2，電壓可以達(dá)到0.8伏，壽命能夠維持?jǐn)?shù)月。
盡管還存在技術(shù)瓶頸，朱之光依然對(duì)酶燃料電池的前景很有信心。他告訴記者，對(duì)酶燃料電池的研究主要在應(yīng)用和機(jī)理方面展開(kāi)，目前還需要對(duì)納米材料的生物體兼容性、毒性以及生命周期進(jìn)行安全評(píng)估，并有望依靠新材料、多酶級(jí)聯(lián)、酶的生物工程改造、串并聯(lián)電池組電路管理等技術(shù)提高電池性能，或者與無(wú)機(jī)電池相結(jié)合，使電池同時(shí)具備無(wú)機(jī)電池功率大的優(yōu)點(diǎn)和酶燃料電池的生物相容性。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載自其它媒體的文章及圖片，目的在于弘揚(yáng)石油化工精神，傳遞更多石油化工信息，宣傳國(guó)家石油化工政策，推廣石油化工企業(yè)品牌和產(chǎn)品，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，在此我們謹(jǐn)向原作者和原媒體致以敬意。如果您認(rèn)為本站文章及圖片侵犯了您的版權(quán)，請(qǐng)與我們聯(lián)系，我們將第一時(shí)間刪除。
