酶生物燃料电池

酶生物燃料电池是一种特殊类型的燃料电池，它使用酶作为催化剂来氧化其燃料，而不是贵金属。酶生物燃料电池虽然目前仅限于研究设施，但因其相对便宜的组件和燃料以及仿生植入物的潜在电源而广受赞誉。

酶促生物燃料电池的工作原理与所有燃料电池相同：使用催化剂将电子与母体分子分离，并迫使其通过导线绕过电解质屏障以产生电流。使酶生物燃料电池与更传统的燃料电池不同的是它们使用的催化剂和它们接受的燃料。大多数燃料电池使用铂和镍等金属作为催化剂，而酶生物燃料电池使用来自活细胞的酶（尽管不在活细胞内；使用整个细胞催化燃料的燃料电池称为微生物燃料电池）。这为酶生物燃料电池提供了两个优势：酶相对容易大规模生产，因此受益于规模经济，而贵金属必须开采，因此供应缺乏弹性。酶还专门设计用于处理自然界中极为常见的有机化合物，例如糖和醇。大多数有机化合物不能被金属催化剂用作燃料电池的燃料，因为在燃料电池运行过程中碳分子与氧气相互作用形成的一氧化碳会迅速“毒化”电池所依赖的贵金属，使其无用.由于糖和其他生物燃料可以大规模种植和收获，酶生物燃料电池的燃料非常便宜，几乎可以在世界任何地方找到，因此从物流的角度来看，它是一个非常有吸引力的选择，甚至对于那些关心采用可再生能源的人来说更是如此。酶生物燃料电池还具有传统燃料电池不具备的运行要求。最重要的是，让燃料电池运行的酶必须“固定”在阳极和阴极附近，才能正常工作；如果不固定，酶会扩散到电池的燃料中，大部分释放的电子不会到达电极，从而影响其有效性。即使在固定化的情况下，也必须提供一种用于将电子转移到电极和从电极转移的装置。这可以直接从酶到电极（“直接电子转移”）或借助其他将电子从酶转移到电极的化学物质（“介导电子转移”）来完成。前一种技术仅适用于某些类型的酶，其活化位点靠近酶的表面，但这样做对打算在人体内使用的燃料电池的毒性风险较小。最后，要完全处理酶生物燃料电池中使用的复杂燃料，“代谢”过程的每一步都需要一系列不同的酶；生产一些所需的酶并将它们维持在所需的水平可能会带来问题。

始于20世纪初的生物燃料电池的早期工作纯粹是微生物种类。在生物燃料电池中直接使用酶进行氧化的研究始于1960年代初期，1964年生产了xxx个酶生物燃料电池。这项研究始于NASA的兴趣，即寻找将人类废物回收为航天器上可用能源的方法，以及寻求人造心脏的一个组成部分，特别是作为可以直接放入人体的电源。这两种应用——使用动物或植物产品作为燃料和开发无需外部燃料直接植入人体的电源——仍然是开发这些生物燃料电池的主要目标。然而，最初的结果令人失望。虽然早期的电池确实成功地产生了电力，但将葡萄糖燃料释放的电子传输到燃料电池的电极存在困难，并且由于酶倾向于远离，因此难以保持系统足够稳定以完全产生电力。他们需要在哪里才能使燃料电池发挥作用。这些困难导致生物燃料电池研究人员在近三十年内放弃了酶催化剂模型，转而使用大多数燃料电池中使用的更传统的金属催化剂（主要是铂）。直到1980年代，人们意识到金属催化剂方法无法提供生物燃料电池所需的质量后，才重新开始对该主题的研究，然而，许多这些问题在1998年得到了解决。在那一年，宣布研究人员已经设法在生物燃料电池中使用一系列（或“级联”）酶来完全氧化甲醇。在此之前，酶催化剂未能完全氧化电池的燃料，提供的能量远低于已知燃料能量容量的预期。虽然甲醇现在作为燃料在该领域的相关性要低得多，但使用一系列酶完全氧化电池燃料的证明方法为研究人员提供了前进的道路，现在很多工作都致力于使用类似的方法来实现完全氧化更复杂的化合物，例如葡萄糖。此外，也许更重要的是，1998年是酶“固定化”成功展示的一年，它将甲醇燃料电池的使用寿命从仅8小时提高到一周以上。固定化还为研究人员提供了将早期发现付诸实践的能力，特别是发现了可用于将电子从酶直接转移到电极的酶。自1980年代以来，这一过程就已被理解，但很大程度上依赖于将酶放置在尽可能靠近电极的位置，这意味着它在设计固定化技术之前无法使用。特别是发现可用于将电子从酶直接转移到电极的酶。自1980年代以来，这一过程就已被理解，但很大程度上依赖于将酶放置在尽可能靠近电极的位置，这意味着它在设计固定化技术之前无法使用。特别是发现可用于将电子从酶直接转移到电极的酶。自1980年代以来，这一过程就已被理解，但很大程度上依赖于将酶放置在尽可能靠近电极的位置，这意味着它在设计固定化技术之前无法使用。此外，酶生物燃料电池的开发人员已将纳米技术的一些进步应用到他们的设计中，包括使用碳纳米管直接固定酶。其他研究已经开始利用酶设计的一些优势来显着小型化燃料电池，如果这些电池要与可植入设备一起使用，则必须进行这一过程。一个研究小组利用酶的极端选择性来完全消除阳极和阴极之间的屏障，这是非酶型燃料电池的xxx要求。这使该团队能够在仅0.01立方毫米的空间内生产出1.1微瓦的燃料电池，其工作电压超过半伏特。虽然酶生物燃料电池目前尚未在实验室外使用，但随着该技术在过去十年中的进步，非学术组织对该设备的实际应用表现出越来越多的兴趣。在解释他们对这项技术的追求时，两个组织都强调了这些电池的燃料非常丰富（而且成本非常低），如果便携式能源的价格上涨，这项技术的一个关键优势可能会变得更具吸引力，

对于燃料电池，酶的掺入具有几个优点。要考虑的一个重要酶特性是成功的反应催化所必需的驱动力或潜力。许多酶在最适合燃料电池应用的底物附近运行。此外，活性位点周围的蛋白质基质提供了许多重要功能；对底物的选择性、内部电子耦合、酸性/碱性特性以及与其他蛋白质（或电极）结合的能力。酶在没有蛋白酶的情况下更稳定，而耐热酶可以从嗜热生物中提取，从而提供更广泛的操作温度范围。操作条件一般在20-50°C和pH4.0到8.0之间。使用酶的一个缺点是体积；考虑到酶的尺寸很大，由于空间有限，它们每单位电极面积产生的电流密度较低。由于不可能减少酶的大小，因此有人认为这些类型的细胞的活性会降低。一种解决方案是使用三维电极或固定在提供高表面积的导电碳载体上。这些电极延伸到三维空间，xxx增加了酶结合的表面积，从而增加了电流。

根据生物燃料电池的定义，酶在阴极和阳极都用作电催化剂。在基于氢化酶的生物燃料电池中，氢化酶存在于阳极上用于H2氧化，其中分子氢被分裂成电子和质子。在H2/O2生物燃料电池的情况下，阴极涂有氧化酶，然后将质子转化为水。

自2001年以来引入了将酶生物燃料电池应用于自供电生物传感应用的初始概念。随着不断的努力，已经证明了几种类型的自供电酶生物传感器。2016年，xxx个基于可拉伸织物的生物燃料电池示例被描述为可穿戴的自供电传感器。该智能纺织设备利用了基于乳酸氧化酶的生物燃料电池，可以实时监测汗液中的乳酸以用于身体应用。