生物燃料電池是一種特殊的燃料電池，它使用酶或產(chǎn)電微生物作為生物催化劑，通過電化學(xué)途徑將生物質(zhì)燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。生物燃料電池反應(yīng)條件溫和、原料來源廉價、生物相容性好，因此具有較好的應(yīng)用前景。近日，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所生物傳感技術(shù)團隊研究人員在基于細菌表面展示酶的生物燃料電池方面取得系列研究進展，開發(fā)出具有較高能量輸出和穩(wěn)定性的新型電池，有望作為植入式在體電源和便攜式電源得到廣泛應(yīng)用。

該團隊侯傳濤博士等利用生物模板法在氟摻雜二氧化錫（FTO）導(dǎo)電玻璃上制備出具有三維多孔結(jié)構(gòu)的金膜（圖1），并以此作為電極共價固定漆酶，制成生物陰極。該三維多孔金膜可顯著地提高酶的固定效率，并實現(xiàn)直接電子傳遞，催化還原氧氣的起始電位高達0.62 V（相對于飽和甘汞電極）。生物陽極則采用細菌表面展示的葡萄糖脫氫酶突變體（bacteria-GDH）。所組裝的單室電池其開路電位高達0.80 V，最大功率密度為55.8 μW cm-2。不僅如此，該電池在連續(xù)工作55小時后仍可保持84%的最大功率密度，表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性。本研究基本解決了酶基燃料電池研究中存在的酶穩(wěn)定性不高、成本高等問題，相關(guān)成果在線發(fā)表于Analytical Chemistry(C. Hou, et al.,Analytical Chemistry2014, Article ASAP, DOI:10.1021/ac501203n)。

研究人員還發(fā)表了關(guān)于基于細菌表面展示木糖脫氫酶（bacteria-XDH）作為生物陽極的無隔膜生物燃料電池的研究成果。該體系開路電位可達0.58 V，最大輸出功率密度為63 μWcm-2，連續(xù)工作12小時后仍能保持85%以上的最大能量輸出。對比于相同酶活提純的XDH修飾的陽極，功率密度提高60%（L. Xia, et al,Biosensors & Bioelectronics2013, 44, 160）。另外，該研究團隊還構(gòu)筑了以淀粉為燃料的順序酶生物燃料電池，相關(guān)成果也發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics。（Q. Lang, et al.,Biosensors and Bioelectronics, 2014, 51, 158-163）。  

上述研究由劉愛驊研究員主持完成，獲得了國家自然科學(xué)基金的資助。  

圖1.三維多孔結(jié)構(gòu)金膜的照片。（A）金膜在FTO上的光學(xué)照片；（B）金膜的掃描電鏡照片。

圖2.（A）生物燃料電池示意圖，生物陽極為bacteria-GDH/聚亞甲基藍/多壁碳納米管/玻碳電極，生物陰極為漆酶固定的三維多孔金膜。（B）電池功率密度隨輸出電壓的變化曲線。a，生物陰極為漆酶固定的三維多孔金膜；b，生物陰極為圓盤金電極。