通过自组装生物燃料电池实现发电

研究人员开发出第一种全功能生物燃料电池，其生物催化剂(在发电中起关键作用的酶)直接自组装到电极上。在约5分钟内，添加到生物燃料电池溶液中的酶 - 纳米颗粒杂化物选择性地结合阳极或阴极，并且这样做形成生物燃料电池的关键组分。

由Andreas Stemmer，亚历山大·特里福诺夫和Ran Tel-Vered领导的研究人员，在苏黎世联邦理工学院的纳米技术组，都在最近一期ACS Nano上发表了一篇关于自组装生物燃料电池的论文。

“我们已经展示了一种自组装生物燃料电池，它可以提供按需发电，可以通过磁场打开和关闭，”Trifonov告诉Phys.org。“该系统还可以在只更换有源元件的情况下多次重复使用电极。”

近年来，已经研究了自组装方法作为制造各种纳米级结构的工具，其在燃料电池，电池和其他能量存储和发电装置中具有潜在的应用。在自组装中，最常见的策略之一是使用力场(电场，磁场等)使某些区域在能量上更有利于纳米粒子，引导它们在这些区域聚集。然而，到目前为止，尚未使用任何种类的直接自组装方法形成功能完整的生物燃料电池。

这里报道的生物燃料电池旨在将含果糖的液体(如葡萄汁)转化为电能。为此，细胞使用酶作为活性元素，将糖中的电子(通过氧化)释放到阳极中。然后电子通过导线传播到阴极，产生电流。在阴极，其他酶使用电子(通过还原，氧化反向)和溶液中存在的氧来产生水。

生物燃料开发面临的最大挑战之一是将氧化和还原催化酶固定在足够靠近电极的位置，以确保从糖中释放的电子最终在氧还原过程中结束。固定是必要的，以便氧化和还原过程同时发生，使得连续电流能够流过电线。如果其中一个生物燃料电池的隔室(阴极或阳极)不能正常工作，整个过程就会停止。

这是自组装过程变得非常有用的地方，因为它迫使两种类型的酶(氧化催化和还原催化)紧密结合到适当的电极(分别为阳极或阴极)。酶首先与碳涂覆的磁性纳米颗粒杂交，所述磁性纳米颗粒本身连接到两种类型的配体中的一种，所述配体是具有特殊化学性质的分子。当将这些酶 - 纳米颗粒杂化物的混合物置于生物燃料电池中时，配体和电极之间的反应迫使氧化催化酶 - 纳米颗粒结合到阳极，而还原催化酶 - 纳米颗粒结合到阴极。这实现了将酶固定在适当电极上的目标 并允许不间断的氧化和还原过程。

研究人员还展示了该设计的另一个潜在有用特征：拆卸。由于纳米颗粒是磁性的，施加的磁场使酶 - 纳米颗粒从电极分离，终止电流并将纳米颗粒释放到电解质中，从中可以除去纳米颗粒。然后可以添加新批次的酶纳米颗粒，其与之前一样，自组装到电极上。这种用新的生物催化剂更新旧的降解生物催化剂的能力提供了一种重新激活细胞并延长其寿命的方法。

与非自组装生物燃料电池相比，当前版本的生物燃料电池具有相对较低的功率输出，但研究人员预计，通过各种优化技术可以显着提高性能，他们计划在未来进行调查。其他需要探索的领域包括针对各种功能定制具有不同分子的酶 - 纳米粒子，以及修改细胞以使用不同的燃料。

“这个主题的未来计划是扩展所提出的各种酶的技术，这将使能量收集出许多不同的燃料(如葡萄糖，乳酸，酒精等)，”Trifonov说。“此外，我们的目标是延长此类生物燃料 电池的使用寿命，同时测试自组装过程的不同相互作用组合，以扩大酶 - 磁 - 纳米粒子杂化物所覆盖的表面积(所展示技术的主要问题) )增强设备的最终功率输出。“