南洋理工大学Jong-Min Lee Nat. Energy：混合生物燃料电池中，高效电子转移的耦联取向和调解策略

【引言】

生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。在许多生物过程中，酶是有前景电子转移（ET）催化剂。如何提高酶的活性和电池的性能呢？本文通过酶和电子介体的取向和固定，增强酶和电活性表面之间ET的策略，提高生物质电池的性能。

【成果简介】

近日，新加坡南洋理工大学的Jong-Min Lee（通讯）作者等人，基于碳纳米管电极上定向和电子中介偶联的策略，合成含有酶取向位点（芘），电子载体氧化还原介体（2,2'-联氮-双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）和电聚合的单体（吡咯））。在相同的化学结构（吡咯-ABTS-芘（pyrr-ABTS-pyr））中，酶促取向与介导的ET的偶联在生物电催化中大大改善其性能。同时，本文还合成氧化还原介体的两个燃料电池。在质子交换膜氢/空气燃料电池和无膜燃料电池中，pyrr-ABTS-pyr生物阴极的功率密度分别为1.07 mW cm^-2和7.9 mW cm^-2。偶联酶取向和氧化还原介体的原理的设计，为燃料电池的开发提供了的可能性。相关成果以“Coupling orientation and mediation strategies for efficient electron transfer in hybrid biofuel cells”为题发表在Nature Energy上。

【图文导读】

图 1聚（吡咯）-ABTS-pyr膜的设计示意图

（a）杂色胆红素氧化酶和漆酶（Lac）栓菌使疏水性结合口袋朝向页面底部，T1铜位点位于酶的一侧，且位于疏水口袋的基部，并充当酶底物的结合位点的示意图；

（b）Lac通过聚（吡咯）-ABTS-pyr膜的ET的示意图。

图 2 pyrr-ABTS-pyr单体的电聚合图

图 3 pyrr-ABTS-pyr氧化还原膜的结构示意图

（a）MWCNT的SEM图像；

（b）电沉积后，MWCNT/pyrr-ABTS-pyr膜的SEM图像；

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

（d）MWCNT修饰电极的示意图；

（e）MWCNT/pyrr-ABTS-pyr膜修饰电极的示意图；

（f）MWCNT/β-CD-modified-AuNPs–poly(pyrr)–ABTS–pyr修饰电极的示意图。

图 4 pyrr-ABtS-pyr单体作为氧化还原介体Lac的生物电催化还原氧

（a）MWCNT/Lac的CV曲线图；

（b）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS/Lac的CV曲线图；

（c）MWCNT/聚合（pyrr）-pyr/Lac的CV曲线图；

（d）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS-pyr/Lac的CV曲线图。

图 5在固定Lac期间的QCM测量图

图 6 在pyrr-ABtS-pyr上，计时电流法Lac生物电催化还原氧图

（a）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS-pyr/Lac电极的计时电流响应图；

（b）MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS-pyr/Lac（i），MWCNT/聚合（pyrr）-ABTS/Lac（ii）和MWCNT/聚合（pyrr）-pyr/Lac（iii）的催化响应图。

图 7 pH值为5的H₂/O₂燃料电池r.t.的极化曲线和功率密度曲线图

图 8 PEMFC的性能图

（a）H₂/O₂燃料电池中，r.t.的极化曲线和功率密度曲线图；

（b）PEMFC的光学图片；

（c）r.t.在0.35 V的3 h恒电位放电下，混合PEMFC配置的循环寿命图。

【小结】

本文通过两个功能位点之间的化学共价连接，显示了与两个关键功能（酶定向和酶促电子介导）相关的有效方法。CV，QCM和计时电流法，证实了工程化合物内以及定向氧化还原酶中心和电极之间的高效ET机制。该策略成功应用于构建性能更高的燃料电池。燃料电池中电活性的增强是由于纳米管的高表面积（其有助于克服传质限制），纳米级定向/介导的酶的协同作用和在空气中生物阴极的整合。这种方法为各种氧化还原介体针对特定需求的可调组合物及其结构进行了设计。

文献链接：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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