南洋理工大學Jong-Min Lee Nat. Energy：混合生物燃料電池中，高效電子轉移的耦聯取向和調解策略

【引言】

生物燃料電池是利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學能轉化為電能的發電裝置。在許多生物過程中，酶是有前景電子轉移（ET）催化劑。如何提高酶的活性和電池的性能呢？本文通過酶和電子介體的取向和固定，增強酶和電活性表面之間ET的策略，提高生物質電池的性能。

【成果簡介】

近日，新加坡南洋理工大學的Jong-Min Lee（通訊）作者等人，基于碳納米管電極上定向和電子中介偶聯的策略，合成含有酶取向位點（芘），電子載體氧化還原介體（2,2'-聯氮-雙（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）和電聚合的單體（吡咯））。在相同的化學結構（吡咯-ABTS-芘（pyrr-ABTS-pyr））中，酶促取向與介導的ET的偶聯在生物電催化中大大改善其性能。同時，本文還合成氧化還原介體的兩個燃料電池。在質子交換膜氫/空氣燃料電池和無膜燃料電池中，pyrr-ABTS-pyr生物陰極的功率密度分別為1.07 mW cm^-2和7.9 mW cm^-2。偶聯酶取向和氧化還原介體的原理的設計，為燃料電池的開發提供了的可能性。相關成果以“Coupling orientation and mediation strategies for efficient electron transfer in hybrid biofuel cells”為題發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖 1聚（吡咯）-ABTS-pyr膜的設計示意圖

（a）雜色膽紅素氧化酶和漆酶（Lac）栓菌使疏水性結合口袋朝向頁面底部，T1銅位點位于酶的一側，且位于疏水口袋的基部，并充當酶底物的結合位點的示意圖；

（b）Lac通過聚（吡咯）-ABTS-pyr膜的ET的示意圖。

圖 2 pyrr-ABTS-pyr單體的電聚合圖

圖 3 pyrr-ABTS-pyr氧化還原膜的結構示意圖

（a）MWCNT的SEM圖像；

（b）電沉積后，MWCNT/pyrr-ABTS-pyr膜的SEM圖像；

（c）固定β-CD-修飾AuNPs的MWCNT/pyrr-ABTS-pyr膜SEM圖像；

（d）MWCNT修飾電極的示意圖；

（e）MWCNT/pyrr-ABTS-pyr膜修飾電極的示意圖；

（f）MWCNT/β-CD-modified-AuNPs–poly(pyrr)–ABTS–pyr修飾電極的示意圖。

圖 4 pyrr-ABtS-pyr單體作為氧化還原介體Lac的生物電催化還原氧

（a）MWCNT/Lac的CV曲線圖；

（b）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS/Lac的CV曲線圖；

（c）MWCNT/聚合（pyrr）-pyr/Lac的CV曲線圖；

（d）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS-pyr/Lac的CV曲線圖。

圖 5在固定Lac期間的QCM測量圖

圖 6 在pyrr-ABtS-pyr上，計時電流法Lac生物電催化還原氧圖

（a）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS-pyr/Lac電極的計時電流響應圖；

（b）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS-pyr/Lac（i），MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS/Lac（ii）和MWCNT/聚合（pyrr）-pyr/Lac（iii）的催化響應圖。

圖 7 pH值為5的H₂/O₂燃料電池r.t.的極化曲線和功率密度曲線圖

圖 8 PEMFC的性能圖

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（a）H₂/O₂燃料電池中，r.t.的極化曲線和功率密度曲線圖；

（b）PEMFC的光學圖片；

（c）r.t.在0.35 V的3 h恒電位放電下，混合PEMFC配置的循環壽命圖。

【小結】

本文通過兩個功能位點之間的化學共價連接，顯示了與兩個關鍵功能（酶定向和酶促電子介導）相關的有效方法。CV，QCM和計時電流法，證實了工程化合物內以及定向氧化還原酶中心和電極之間的高效ET機制。該策略成功應用于構建性能更高的燃料電池。燃料電池中電活性的增強是由于納米管的高表面積（其有助于克服傳質限制），納米級定向/介導的酶的協同作用和在空氣中生物陰極的整合。這種方法為各種氧化還原介體針對特定需求的可調組合物及其結構進行了設計。

文獻鏈接：Coupling orientation and mediation strategies for efficient electron transfer in hybrid biofuel cells（Nat. Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0166-4）。

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