葡萄糖氧化酶无膜生物燃料电池及性能优化
发布时间：2022-01-24 00:25
酶生物燃料电池（Enzymatic biofuel cells,EBFCs）是通过生物酶作为催化剂催化生物燃料的氧化还原反应,将化学能转化为电能的新型绿色能源。由于葡萄糖、乳酸等生物燃料普遍存在于自然界以及人类的体液中,EBFCs不仅可以在一定程度上能够缓解日益严重的能源危机,而且在可穿戴式和植入式电子设备等领域有着广泛的应用。随着纳米材料的不断发展,EBFCs的性能有了很大的提升,但是仍难以满足实际应用的需求。针对EBFCs存在能量输出低等问题,本文探究了改善EBFCs性能的方法。一方面,从EBFCs的反应原理出发,通过合成新型纳米材料、设计多孔透气性的电池结构,改善EBFCs装置内氧气（Oxygen,O2）扩散以及促进电子传递。另一方面探寻了无膜EBFCs装置电极阵列以及电池结构的优化。主要研究内容如下:（1）根据EBFCs反应原理,利用丝网印刷技术制备了 EBFCs装置。通过丝网印刷碳糊电极统一电极基底的制备,并对电极单元和装置结构进行规范化设计,从而实现了装置良好的一致性。设计了无膜EBFCs装置结构,实验验证了O2对EBFCs输出性能的影响。在自然空气状态下研究EBFCs电池...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＥＢＦＣｓ的工作原理和结构示意图??１．２．２酶生物燃料电池的分类和特点??
２．２＇?－ａｚｉｎｏｂｉｓ（３－ｅｔｈｙｌｂｅｎｚｔｈｉａｚｏｌｉｎｅ－６－ｓｕｌｆｏｎｉｃ??ａｃｉｄ）?ｄｉａｍｍｏｎｉｕｍ?ｓａｌｔ，?ＡＢＴＳ）?［１３】己被普遍用作酶生物传感器和ＥＢＦＣｓ的电??子媒介体。此外，萘醒（Ｎａｐｈｔｈｏｑｕｉｎｏｎｅ，?ＮＱ）由于其低氧化还原电压和在水中??的低溶解性在某些情况下也会被用作电子媒介体Ｉ１４］。然而，电子媒介体制备复??杂，有些媒介体对环境要求高、有毒性，所以越来越多的研宄者尝试进行酶和电??极之间的直接电子转移来解决这一问题，如图１．２Ｂ。然而，酶的特殊蛋白质结??构、酶的固定化方法以及酶活性中心的指向等问题一直是限制ＤＥＴ发展的主要??障碍。近年来，随着纳米材料的不断发展为实现ＤＥＴ提供了更加方便的途径，??已经越来越多的研宄者开始使用ＤＥＴ方法制备ＥＢＦＣｓ电极。??此外，按照电池结构ＥＢＦＣｓ可以分为单极室和双极室两种类型，其主要区??别是双极室燃料电池通过质子交换膜将阴阳两个极室分开，而单极室燃料电池??没有质子交换膜。当使用质子交换膜时，只有Ｈ＋被选择性透过，阴阳两个极室??可以被单独隔开，反应互不干扰｜１５１。然而，质子交换膜的使用会增加ＥＢＦＣｓ的??生产成本，并且不利于实现装置的小型化。而单极室（无膜）ＥＢＦＣｓ不存在质??子交换膜，可以减小电池装置体积，降低电池制备成本。因此，为了推进ＥＢＦＣｓ??的小型化和实用化发展，越来越多的研究者开始致力于高性能无膜ＥＢＦＣｓ的研??宄但要确保反应物、产物的物质传递不受影响，并且电极之间不会短路。??Ｍｅｄｉａｔｅｄ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｔｒａｎｓｆｅｒ?（ＭＥＴ）?Ｄｉｒｅｃｔ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｔｒａｎｓｆ
山东大学硕士学位论文??￣１３?彳／Ｓ?Ｔ２?（，ｎｏｒｍａｉ）?Ｃｕ??又令条２。??Ｓｉｔｅ?ｏｆ?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?（ｃｏｉｎｅｄ?ｂｉｍｊｃｌｅｏｒ）??ｏｘｉｄａｔｉｏｎ?Ｔｒｉｎｕｄｅｔｗ?ｄｕｓｔｅｒ：?ｓｉｔ？?ｏｆ??ｏｘｙｇｅｎ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??图１．３?ＭＣＯｓ的活性位点，绿色的球体即铜原子［３４］??１．３．３酶的固定化方法??在ＥＢＦＣｓ的初期研究中，酶通常以自由状态分散在溶液中，这种情况下酶在??溶液中的氧化还原反应不稳定，电子在溶液中传递困难而且酶很难重复利用。早??在２０世纪８０年代，Ｐｌｏｔｋｉｎ和Ｐｅｒｓｓｏｎ就发现当酶被固定在电极表面时ＥＢＦＣｓ的??输出可以有很大的提升％３７］。经过几十年的发展，酶在电极表面的固定化技术仍??然是影响ＥＢＦＣｓ表现的重要因素，良好的酶的固定不仅会增大ＥＢＦＣｓ的输出电??流／功率密度，而且会在一定程度上延长ＥＢＦＣｓ使用寿命。近年来，常用的酶固??定化方法主要是物理吸附［３８］、共价键交联法［３９］、包埋法［２２］、电化学聚合法＠］和??层层自组装［４｜］。??（１）物理吸附法??物理吸附法通过氢键、范德华力等物理吸附力将酶和媒介体等固定在载体材??料上，是最简单、经济的酶固定化方法。物理吸附不会破坏酶或者媒介体的物理??结构，可以使酶保持高催化活性［４２，４３］。但是酶的固定不是特别牢固，固定在载体??上的酶往往会发生解吸。此外，酶固定的量受载体种类影响较大，常选用具有高??吸附能力和大比表面积的吸附剂。??（２）共价交联法??共价交联法是固定酶最常见的策略，它是通过酶的功能化基团和基底电极之??间的化学键绑定来实现酶的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于细胞电生理检测的在体及离体微电极设计仿真[J]. 徐莹,杨勇,韩斌,罗平. 传感技术学报. 2009(08)
[2]串/并联微生物燃料电池的性能[J]. 李顶杰,何辉,卢翠香,李浩然,杜竹玮. 过程工程学报. 2009(02)
[3]高效细胞电融合芯片中的电场分析[J]. 曹毅,杨军,阴正勤,侯文生,郑小林,胡宁,杨静,许蓉,张瑞强. 分析化学. 2008(05)
博士论文
[1]三维碳纳米材料基葡萄糖氧化酶修饰电极的构建及性能研究[D]. 康泽朋.北京科技大学 2018
[2]柔性纳米发电机的制备及其在自驱动紫外传感器的应用[D]. 张璐.兰州大学 2017
[3]基于氮掺杂碳材料的酶生物燃料电池研究[D]. 盖盼盼.南京大学 2015
[4]基于MEMS的低电压细胞融合芯片与系统的研究[D]. 蒋峰.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]葡萄糖生物燃料电池酶电极的构建和性能研究[D]. 张兆.山东大学 2019
[2]基于微生物燃料电池的串并联与电源管理系统的研究[D]. 徐驭帆.东南大学 2016
[3]基于纳米碳材料的酶生物燃料电池阳极构建与性能研究[D]. 孙龙飞.湖南大学 2015
[4]基于碳纳米管的酶生物燃料电池酶电极的研究[D]. 刘娟.湖南大学 2012
[5]固定化酶的制备与酪蛋白合成类蛋白的研究[D]. 鹿波.东北农业大学 2007
本文编号：3605459
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＥＢＦＣｓ的工作原理和结构示意图??１．２．２酶生物燃料电池的分类和特点??
２．２＇?－ａｚｉｎｏｂｉｓ（３－ｅｔｈｙｌｂｅｎｚｔｈｉａｚｏｌｉｎｅ－６－ｓｕｌｆｏｎｉｃ??ａｃｉｄ）?ｄｉａｍｍｏｎｉｕｍ?ｓａｌｔ，?ＡＢＴＳ）?［１３】己被普遍用作酶生物传感器和ＥＢＦＣｓ的电??子媒介体。此外，萘醒（Ｎａｐｈｔｈｏｑｕｉｎｏｎｅ，?ＮＱ）由于其低氧化还原电压和在水中??的低溶解性在某些情况下也会被用作电子媒介体Ｉ１４］。然而，电子媒介体制备复??杂，有些媒介体对环境要求高、有毒性，所以越来越多的研宄者尝试进行酶和电??极之间的直接电子转移来解决这一问题，如图１．２Ｂ。然而，酶的特殊蛋白质结??构、酶的固定化方法以及酶活性中心的指向等问题一直是限制ＤＥＴ发展的主要??障碍。近年来，随着纳米材料的不断发展为实现ＤＥＴ提供了更加方便的途径，??已经越来越多的研宄者开始使用ＤＥＴ方法制备ＥＢＦＣｓ电极。??此外，按照电池结构ＥＢＦＣｓ可以分为单极室和双极室两种类型，其主要区??别是双极室燃料电池通过质子交换膜将阴阳两个极室分开，而单极室燃料电池??没有质子交换膜。当使用质子交换膜时，只有Ｈ＋被选择性透过，阴阳两个极室??可以被单独隔开，反应互不干扰｜１５１。然而，质子交换膜的使用会增加ＥＢＦＣｓ的??生产成本，并且不利于实现装置的小型化。而单极室（无膜）ＥＢＦＣｓ不存在质??子交换膜，可以减小电池装置体积，降低电池制备成本。因此，为了推进ＥＢＦＣｓ??的小型化和实用化发展，越来越多的研究者开始致力于高性能无膜ＥＢＦＣｓ的研??宄但要确保反应物、产物的物质传递不受影响，并且电极之间不会短路。??Ｍｅｄｉａｔｅｄ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｔｒａｎｓｆｅｒ?（ＭＥＴ）?Ｄｉｒｅｃｔ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｔｒａｎｓｆ
山东大学硕士学位论文??￣１３?彳／Ｓ?Ｔ２?（，ｎｏｒｍａｉ）?Ｃｕ??又令条２。??Ｓｉｔｅ?ｏｆ?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?（ｃｏｉｎｅｄ?ｂｉｍｊｃｌｅｏｒ）??ｏｘｉｄａｔｉｏｎ?Ｔｒｉｎｕｄｅｔｗ?ｄｕｓｔｅｒ：?ｓｉｔ？?ｏｆ??ｏｘｙｇｅｎ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??图１．３?ＭＣＯｓ的活性位点，绿色的球体即铜原子［３４］??１．３．３酶的固定化方法??在ＥＢＦＣｓ的初期研究中，酶通常以自由状态分散在溶液中，这种情况下酶在??溶液中的氧化还原反应不稳定，电子在溶液中传递困难而且酶很难重复利用。早??在２０世纪８０年代，Ｐｌｏｔｋｉｎ和Ｐｅｒｓｓｏｎ就发现当酶被固定在电极表面时ＥＢＦＣｓ的??输出可以有很大的提升％３７］。经过几十年的发展，酶在电极表面的固定化技术仍??然是影响ＥＢＦＣｓ表现的重要因素，良好的酶的固定不仅会增大ＥＢＦＣｓ的输出电??流／功率密度，而且会在一定程度上延长ＥＢＦＣｓ使用寿命。近年来，常用的酶固??定化方法主要是物理吸附［３８］、共价键交联法［３９］、包埋法［２２］、电化学聚合法＠］和??层层自组装［４｜］。??（１）物理吸附法??物理吸附法通过氢键、范德华力等物理吸附力将酶和媒介体等固定在载体材??料上，是最简单、经济的酶固定化方法。物理吸附不会破坏酶或者媒介体的物理??结构，可以使酶保持高催化活性［４２，４３］。但是酶的固定不是特别牢固，固定在载体??上的酶往往会发生解吸。此外，酶固定的量受载体种类影响较大，常选用具有高??吸附能力和大比表面积的吸附剂。??（２）共价交联法??共价交联法是固定酶最常见的策略，它是通过酶的功能化基团和基底电极之??间的化学键绑定来实现酶的
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于细胞电生理检测的在体及离体微电极设计仿真[J]. 徐莹,杨勇,韩斌,罗平. 传感技术学报. 2009(08)
[2]串/并联微生物燃料电池的性能[J]. 李顶杰,何辉,卢翠香,李浩然,杜竹玮. 过程工程学报. 2009(02)
[3]高效细胞电融合芯片中的电场分析[J]. 曹毅,杨军,阴正勤,侯文生,郑小林,胡宁,杨静,许蓉,张瑞强. 分析化学. 2008(05)
博士论文
[1]三维碳纳米材料基葡萄糖氧化酶修饰电极的构建及性能研究[D]. 康泽朋.北京科技大学 2018
[2]柔性纳米发电机的制备及其在自驱动紫外传感器的应用[D]. 张璐.兰州大学 2017
[3]基于氮掺杂碳材料的酶生物燃料电池研究[D]. 盖盼盼.南京大学 2015
[4]基于MEMS的低电压细胞融合芯片与系统的研究[D]. 蒋峰.华中科技大学 2013
硕士论文
[1]葡萄糖生物燃料电池酶电极的构建和性能研究[D]. 张兆.山东大学 2019
[2]基于微生物燃料电池的串并联与电源管理系统的研究[D]. 徐驭帆.东南大学 2016
[3]基于纳米碳材料的酶生物燃料电池阳极构建与性能研究[D]. 孙龙飞.湖南大学 2015
[4]基于碳纳米管的酶生物燃料电池酶电极的研究[D]. 刘娟.湖南大学 2012
[5]固定化酶的制备与酪蛋白合成类蛋白的研究[D]. 鹿波.东北农业大学 2007
本文编号：3605459
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