基于碳點(diǎn)和TMB的酶燃料電池光開關(guān)的工作原理示意圖

酶生物燃料電池是一種利用氧化還原酶類，可將儲(chǔ)存在糖類中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。酶生物燃料電池使用對(duì)環(huán)境無害的生物燃料和生物催化劑，被認(rèn)為是一種新型的綠色能源，目前已有酶生物燃料電池為植入型、穿戴型電子設(shè)備，以及自供電型生物傳感器供電的報(bào)道。但是酶生物燃料電池的產(chǎn)電過程是即時(shí)的、不可控制的，除非底物耗盡或者斷開電路，否則產(chǎn)電過程不會(huì)停止。這種不可控的產(chǎn)電過程會(huì)造成電能的浪費(fèi)，而且將限制酶生物燃料電池的應(yīng)用場景。因此，開發(fā)酶生物燃料電池的開關(guān)元件并對(duì)其產(chǎn)電過程加以控制，對(duì)其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

近日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所體外合成生物學(xué)中心研究員朱之光帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)了一種酶生物燃料電池的光開關(guān)。這種光開關(guān)從陰極控制的策略入手，解決了已報(bào)道的酶生物燃料電池的溫度開關(guān)、pH開關(guān)等存在的調(diào)節(jié)能力弱、調(diào)節(jié)次數(shù)有限、非普適、理論上存在背景電流等問題。該光開關(guān)利用碳點(diǎn)對(duì)TMB的光氧化特性，使用TMB作為電子受體，從而實(shí)現(xiàn)了在有光的條件下可以增大電流和功率，而在無光時(shí)幾乎不產(chǎn)生電流。在藍(lán)光照射20分鐘后，酶生物燃料電池的開路電壓可以從0.3V增大到0.5V，外接1kΩ電阻時(shí)的電路電流可以從2.3μA增大到9μA，功率密度可以從2.8μWcm^-2增大到35μWcm^-2。該光開關(guān)的調(diào)控效果優(yōu)于目前已報(bào)道的酶生物燃料電池的開關(guān)，并且在增大集流體面積的條件下能夠進(jìn)一步得到提高。該研究基于陰極調(diào)控策略實(shí)現(xiàn)了利用光信號(hào)控制酶生物燃料電池的輸出功率，進(jìn)一步提高了酶生物燃料電池“智能化”應(yīng)用的可能。

研究工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、天津市合成生物技術(shù)創(chuàng)新能力提升行動(dòng)、國家自然科學(xué)基金等的資助，相關(guān)研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。