生物酶燃料电池-PowerPoint-课件

以酶为基础的生物燃料电池

07生物：颜海波以酶为基础的生物燃料电池1普通燃料电池的工作原理：

普通燃料电池的工作原理：

2

酶燃料电池的工作原理：

酶燃料电池的工作原理：3

微生物燃料电池和酶燃料电池的比较：

parameter

微生物燃料电池酶燃料电池催化剂 微生物 酶 使用寿命 长 短氧化能力 完全氧化 不完全氧化能量浓度 低 高成本 高 低 膜表面分离器 需要 不需要

微生物燃料电池和酶燃料电池的比较：4生物酶燃料电池的最新研究进展

其中一个最重大的进展，就是生物燃料电池的生物阳极和生物阴极使用了新的技术，用直接电子转移取代了以前的间接电子转移。直接传递的好处在于使电子直接从催化剂传递到电极，中间使用传递媒介的这一问题得到解决。无介体酶生物燃料电池采用导电聚合物作为酶固定材料

第二关键是延长固定化酶的活性时间。酶是蛋白质，在缓冲液当中的寿命时间是八小时到两天，尽管固定在电极表面的酶的寿命可以延长到7到20天。近来，通过把酶封装在胶束聚合物中，可以使其活性延长到一年以上，这个胶束为酶提供了合适的PH还有生物可容性的环境，防止其变性生物酶燃料电池的最新研究进展其中一个最重大的进展，就是生物5焦点-如何提高酶生物燃料电池的效率

三个技术难点1：生物燃料电池阳极需要是三维的，这样就有足够的敏感度。阳极必须要使表面区域所需要的达到最佳化，孔越小，相对反应面积越大，反应速率越快。但孔太小，液态燃料的传送也就成了一个问题。2：成功的固定化多酶系统是需要可以使燃料完全氧化成二氧化碳。目前的酶燃料电池的效率是比较低的，只能用单一的酶和将燃料部分氧化。这和细胞内可以使生物燃料完全氧化成二氧化碳和水是完全不同的。

3：阳极必须支持高效率的电荷转移机制，因此了解之间的相互作用，孔隙度，比表面积，以及电子和质子电导率至关重要。焦点-如何提高酶生物燃料电池的效率三个技术难点6解决方案三维电极构造

为了得到最大能量密度，三维电极需要具有多维和多向的孔结构多层面既提供了小孔，以支持酶的稳定和高负荷密度，也提供了大孔以支持液态燃料的传送，多向的结构提供了更大的表面积和通透性。最近已经开始探索利用壳聚糖聚合物材料有希望用来控制维度和方向性。

解决方案三维电极构造7利用壳聚糖聚合物材料制成的阳极利用壳聚糖聚合物材料制成的阳极8

用于酶燃料电池电极的多酶阳极多酶电极是用固定在同一电极上的多种酶催化

连续或同时发生的多个反应。多酶电极扩大了酶燃

料电池可使用燃料的范围,提高了输出电流或电压,

具有单酶电极难以达到的性能。我们可以将这些代谢路径的多级酶固定在电极的表面或者三维的截留聚合体。目前，我们尝试将多级酶联固定在一个特定空间结构的电极表面，这是为了减少传送过程的限制，将酶固定下来有利于在环境中保护酶。

用于酶燃料电池电极的多酶阳极9多酶混合电极示意图多酶混合电极示意图10生物酶燃料电池---PowerPoint-课件11生物燃料酶电池的表征

能量密度方程：

这条方程式用于任何的燃料电池，这里有两条清晰的路径来提高能量密度。首先，不受几何学影响的热力学因素，电池的平衡电极Vcell是由电池化学决定的，通过分别在阳极和阴极上的氧化和还原反应的选择。第二个条件，着重在动力学，这里电池内部的电阻Rcell是一个关键参数，决定在电池反应中的能量密度。

Rcell

涉及的因素很多，包含有电极电荷转移的阻抗，电极连接，膜电导和电解液传导。

生物燃料酶电池的表征能量密度方程：12更进一步，根据电极的放置，电池体积等报告电池的几何学是很重要的，而且如果可能的话，在比较的过程中一直保持固定的几何形态。当在实验室比较不同阳极和阴极的表现时是特别重要的。在模型学习过程中也是有很大用途的。一个更有前景的几何学是堆叠电池的设计和图中描述的样本。

更进一步，根据电极的放置，电池体积等报告电池的几何学是很重要13荧光在研究燃料电池中的应用

随着生物传感器和生物燃料电池的发展，电化学已成为最普遍的方法，特点是：聚合物固定化酶。其他方法，如扫描电子显微镜，红外光谱，X射线衍射仪，原子力显微镜，小角度中子散射也已运用到进一步的研究酶-聚合物体系的特点。不过，这些方法都不能提供的洞察到化学之间的互动，酶和聚合物对双方微观和宏观尺度，还有一些影响酶空间分布，活力和寿命的因素。荧光，因为内在敏感性和选择性，成为探测酶-聚合物相互作用的有力工具。这是因为强度的发射光谱，功能之一是激发波长和探测周围的微化学环境，既可以是定性的用激光扫描共聚焦显微镜进行可视化和定量用探测器测量光子。由于这个原因，荧光可以用来探测各种纳入物和聚合物之间相互作用性质，无论是在溶液或固体基质，并把酶定位和它们的运动和活力特征化荧光在研究燃料电池中的应用随着生物传感器和生物燃料电池的发14总结：尽管酶燃料电池相对于传统的燃料电池和原电池有很多有点，但不过也存在很多不足，如，使用寿命短，催化效率低，燃料利用率低，还有低能量。进来，对使用寿命短和催化效率低这两方面研究有一些进展，但燃料利用率低和低能量还有待于解决。在这两方面做出改进需要标准的电化学表征，以及使用光谱和荧光的方法，可以再加上经典的电化学测量方法。

总结：尽管酶燃料电池相对于传统的燃料电池和原电池有很多有点，15That’sall,thanks!That’sall,thanks!16生物酶燃料电池---PowerPoint-课件17生物酶燃料电池---PowerPoint-课件18生物酶燃料电池---PowerPoint-课件19

20以酶为基础的生物燃料电池

07生物：颜海波以酶为基础的生物燃料电池21普通燃料电池的工作原理：

普通燃料电池的工作原理：

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酶燃料电池的工作原理：

酶燃料电池的工作原理：23

微生物燃料电池和酶燃料电池的比较：

parameter

微生物燃料电池酶燃料电池催化剂 微生物 酶 使用寿命 长 短氧化能力 完全氧化 不完全氧化能量浓度 低 高成本 高 低 膜表面分离器 需要 不需要

微生物燃料电池和酶燃料电池的比较：24生物酶燃料电池的最新研究进展

其中一个最重大的进展，就是生物燃料电池的生物阳极和生物阴极使用了新的技术，用直接电子转移取代了以前的间接电子转移。直接传递的好处在于使电子直接从催化剂传递到电极，中间使用传递媒介的这一问题得到解决。无介体酶生物燃料电池采用导电聚合物作为酶固定材料

第二关键是延长固定化酶的活性时间。酶是蛋白质，在缓冲液当中的寿命时间是八小时到两天，尽管固定在电极表面的酶的寿命可以延长到7到20天。近来，通过把酶封装在胶束聚合物中，可以使其活性延长到一年以上，这个胶束为酶提供了合适的PH还有生物可容性的环境，防止其变性生物酶燃料电池的最新研究进展其中一个最重大的进展，就是生物25焦点-如何提高酶生物燃料电池的效率

三个技术难点1：生物燃料电池阳极需要是三维的，这样就有足够的敏感度。阳极必须要使表面区域所需要的达到最佳化，孔越小，相对反应面积越大，反应速率越快。但孔太小，液态燃料的传送也就成了一个问题。2：成功的固定化多酶系统是需要可以使燃料完全氧化成二氧化碳。目前的酶燃料电池的效率是比较低的，只能用单一的酶和将燃料部分氧化。这和细胞内可以使生物燃料完全氧化成二氧化碳和水是完全不同的。

3：阳极必须支持高效率的电荷转移机制，因此了解之间的相互作用，孔隙度，比表面积，以及电子和质子电导率至关重要。焦点-如何提高酶生物燃料电池的效率三个技术难点26解决方案三维电极构造

为了得到最大能量密度，三维电极需要具有多维和多向的孔结构多层面既提供了小孔，以支持酶的稳定和高负荷密度，也提供了大孔以支持液态燃料的传送，多向的结构提供了更大的表面积和通透性。最近已经开始探索利用壳聚糖聚合物材料有希望用来控制维度和方向性。

解决方案三维电极构造27利用壳聚糖聚合物材料制成的阳极利用壳聚糖聚合物材料制成的阳极28

用于酶燃料电池电极的多酶阳极多酶电极是用固定在同一电极上的多种酶催化

连续或同时发生的多个反应。多酶电极扩大了酶燃

料电池可使用燃料的范围,提高了输出电流或电压,

具有单酶电极难以达到的性能。我们可以将这些代谢路径的多级酶固定在电极的表面或者三维的截留聚合体。目前，我们尝试将多级酶联固定在一个特定空间结构的电极表面，这是为了减少传送过程的限制，将酶固定下来有利于在环境中保护酶。

用于酶燃料电池电极的多酶阳极29多酶混合电极示意图多酶混合电极示意图30生物酶燃料电池---PowerPoint-课件31生物燃料酶电池的表征

能量密度方程：

这条方程式用于任何的燃料电池，这里有两条清晰的路径来提高能量密度。首先，不受几何学影响的热力学因素，电池的平衡电极Vcell是由电池化学决定的，通过分别在阳极和阴极上的氧化和还原反应的选择。第二个条件，着重在动力学，这里电池内部的电阻Rcell是一个关键参数，决定在电池反应中的能量密度。

Rcell

涉及的因素很多，包含有电极电荷转移的阻抗，电极连接，膜电导和电解液传导。

生物燃料酶电池的表征能量密度方程：32更进一步，根据电极的放置，电池体积等报告电池的几何学是很重要的，而且如果可能的话，在比较的过程中一直保持固定的几何形态。当在实验室比较不同阳极和阴极的表现时是特别重要的。在模型学习过程中也是有很大用途的。一个更有前景的几何学是堆叠电池的设计和图中描述的样本。

更进一步，根据电极的放置，电池体积等报告电池的几何学是很重要33荧光在研究燃料电池中的应用

随着生物传感器和生物燃料电池的发展，电化学已成为最普遍的方法，特点是：聚合物固定化酶。其他方法，如扫描电子显微镜，红外光谱，X射线衍射仪，原子力显微镜，小角度中子散射也已运用到进一步的研究酶-聚合物体系的特点。不过，这些方法都不能提供的洞察到化学之间的互动，酶和聚合物对双方微观和宏观尺度，还有一些影响酶空间分布，活力和寿命的因素。荧光，因为内在敏感性和选择性，成为探测酶-聚合物相互作用的有力工具。这是因为强度的发射光谱，功能之一是激发波长和探测周围的微化学环境，既可以是定性的用激光扫描共聚焦显微镜进行可视化和定量用探测器测量光子。由于这个原因，荧光可以用来探测各种纳入物和聚合物之间相互作用性质，无论是在溶液或固体基质，并把酶定位和它们的运动和活力特征化荧光在研究燃料电池中的应用随着生物传感器和生物燃料电池的发34总结：尽管酶燃料电池相对于传统的燃料电池和原电池有很多有点，但不过也存在很多不足，如，使用寿命短，催化效率低，燃料利用率低，