酶生物燃料電池的研究進展

苗昆鵬，閆 龍，馬鵬程，馬曉燕

(西北工業(yè)大學化學與化工學院，陜西西安710129)

酶生物燃料電池(enzymatic biofuel cell，EBFC)是一種利用酶作為催化劑，以可再生的生物質如葡萄糖、乙醇、氫氣等為燃料，利用生物酶陽極和生物酶陰極將燃料的化學能轉化為電能的能量轉換裝置[1-2]。整個過程中，陽極底物在生物活性位點的催化下發(fā)生氧化反應，失去的電子通過外電路轉移到陰極區(qū)，陰極底物則在生物活性單元的催化下發(fā)生還原反應[3-4]，其基本原理如圖1 所示。

EBFC 一般是在室溫和中性pH 這種溫和條件下運行，并可以使用有機廢水(如酚類廢水)來產生電能，所以是一種可持續(xù)的綠色生物燃料電池，廣泛應用在可植入器件電源、可穿戴設備、自供能傳感器和廢水處理等領域[6-9]。

圖1 酶生物燃料電池基本原理[5]

圖2 氧還原電極上漆酶和膽紅素氧化酶的電催化方向示意圖[11]

在電極上構筑導電性能優(yōu)異的納米材料具有多重作用：(1)縮短生物酶催化活性位點與電極之間的距離，并為酶的自然催化過程提供合適的微環(huán)境，從而保證生物酶的活性和穩(wěn)定性；(2)改善生物酶與電極之間的相互作用；(3)利用其比表面積較大且易于官能團化的特點，為EBFC 提供更高的酶負載量。因此，如何在電極上構筑納米材料成為當前EBFC 所面臨的關鍵難題。

本文主要總結了近年來EBFC 中電極上導電納米材料制備的研究進展，介紹了EBFC 在可植入器件、可穿戴設備、電化學傳感及有機廢水等領域的新進展。

1 EBFC 的導電納米材料及電池性能

EBFC 發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是酶和基底電極之間的電荷轉移效率低、電極比表面積小、酶的固定難等[12]。電極上導電納米粒子如新型碳基納米材料、金屬納米粒子等的沉積與負載，可以在很大程度上改善這些問題。

1.1 碳納米材料及電池性能

碳納米管(CNT)、石墨烯作為新型碳基納米材料被廣泛用于生物電極構造研究[13-15]，可以提高電極比表面積，改善電子轉移的速度，增強EBFC 的功率密度和電流密度。Arjun等[16]用1-芘羧酸(PCA)酸化的CNT 和鈣離子組成的分層結構通過靜電吸附固定葡萄糖氧化酶(GOx)，作為酶陽極，采用PCA 酸化的CNT 與采用硝酸/硫酸酸化的CNT 相比，得到的CNT 表面形貌并未破壞，固定的GOx 陽極的電流密度更高；用還原的氧化石墨烯二氧化鈰作為非酶陰極構筑了三明治結構的葡萄糖酶燃料電池，如圖3 所示，在60 μA/cm2時記錄的開路電壓為140 mV，峰值功率密度為6.25 μW/cm2；使用該EBFC 為電容器充電時，電容器可以充電至約400 mV，這表明該EBFC 具有作為獨立電源的能力。

圖3 基于PCA-MWNT/Ca2+/GOx陽極的EBFC示意圖[16]

石墨烯具有出色的導電性、非常高的比表面積和機械強度[17]，所以也成為構造酶生物燃料電池的主要納米材料。Liu等[18]首次在EBFC 中使用石墨烯，構筑生物陽極，葡萄糖氧化酶、石墨烯和氧化還原介體被四甲氧基硅烷溶膠凝膠包埋在金基底上，生物陰極制備與生物陽極制備方法相同，陰極酶為膽紅素氧化酶；以此構筑的電池最大功率密度為(24.3±4)μW，7 天后，功率輸出下降到其原始功率輸出的50%。作為對比，采用CNT代替石墨烯，同時采用相同方法制備了酶陽極，并組裝成EBFC，經分析，基于石墨烯陽極制成的EBFC 具有更高的功率密度。

有研究人員已利用3D 石墨烯來改善EBFC 的性能[19]。Babadi 等[20]通過Hummers 法和水熱法構造了基于3D 石墨烯的EBFC，之后將其和葡萄糖氧化酶一同修飾在玻碳電極上。該生物陽極在0.4 V 時的功率密度為164 μW/cm2；3D 石墨烯的高度多孔結構負載了更多的GOx 并減少了酶的浸出，提高了酶負載量和電極穩(wěn)定性，促進了GOx 活性位點和GCE 之間的電子轉移。這種方法也可用于其他酶固定中。

1.2 金屬納米粒子及電池性能

各種金屬納米粒子如AuNPs、AgNPs、PtNPs 等已用于修飾EBFC 的電極，以促進酶與基底電極之間的電子轉移。在某些情況下，AuNPs 被修飾在如碳納米管、石墨烯或導電聚合物等表面，并通過酶的末端基團與經過預處理的AuNPs 上的基團之間的化學反應形成化學鍵，將酶固定在基底電極上[21-22]，通過減小酶與基底電極之間的距離而促進了電子轉移；Suhyeon 等[10]為改善基于漆酶陰極EBFC 的性能，制備了由漆酶、CNT、聚乙烯亞胺(PEI)和2-萘硫醇(NPT)包裹的AuNPs 組成的電極，其中PEI 通過靜電吸附固定漆酶；以Pt/C作為陽極，葡萄糖水溶液作為電解質(40 mmol/L)，該EBFC 最大功率密度為13 μW/cm2，明顯優(yōu)于不含AuNPs 的電極(7 μW/cm2)。這表明金-巰鍵在CNT/PEI 底物和漆酶之間可以促進電子轉移，極大地提高漆酶陰極的氧還原速率和EBFC 功率密度。

Ratautas 等[23]為了在乙醇脫氫酶的生物陽極上實現直接電子轉移，制備了由乙醇脫氫酶、AuNPs、4-氨基苯硫酚組成的生物陽極，其中AuNPs 由檸檬酸鈉還原HAuCl4制備而成，之后將其滴涂在金基底電極上，4-氨基苯硫酚通過金硫鍵和共價鍵將乙醇脫氫酶修飾在AuNPs 上，將該電極用于催化甘油并進行電化學測試，表明該生物陽極在pH=7.0 和0 V/SCE下產生510 μA/cm2的電流密度，這主要是因為AuNPs 促進了乙醇脫氫酶的氧化還原中心與4-氨基苯硫酚修飾的AuNPs之間的電子轉移。

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1.3 導電雜化材料及電池性能

碳納米材料用于改善電極表面積和導電能力，金屬納米粒子可縮短酶與基底電極的電子轉移距離，促進電子轉移，提高電極電流密度和EBFC 的功率密度，將二者雜化可以提高酶電極及酶生物燃料電池的綜合性能。

Zhang 等[24]使用電沉積和化學氣相沉積(CVD)方法制備了新型3D 電極，在泡沫鎳表面電沉積還原的氧化石墨烯(RGO)，得到了3D 的RGO，在此過程中共沉積了AuNPs。隨后通過簡單的CVD 工藝，使氮摻雜碳納米管(N-CNTs)在3DRGO/Au 納米顆粒表面無縫生長。在這種納米結構中，AuNPs 共沉積和氮摻雜為生物電催化提供了更多的活性位點。此外，N-CNTs 為固定化酶提供了高比表面積，促進了葡萄糖氧化酶與電極之間的電子轉移，并以7.02 mA/cm2的電流密度(0.3 V vs.Ag/AgCl)顯示出高電催化活性；與鉑陰極組合所制備的葡萄糖/空氣生物燃料電池的開路電位為0.32 V，在0.15 V 產生的最大功率密度為235 μW/cm2。在此3D 結構中，N-CNT、RGO 和共沉積的AuNPs 對葡萄糖氧化表現出協同效應，使其具有更高的比表面積、酶負載量以及更多的生物電催化活性位點，說明使用導電雜化材料的3D 生物電極具有改善EBFC 輸出功率低和電流密度低等問題的潛力。

上述分析說明，這些納米材料具有良好的導電性和較大的比表面積，可以減小基底電極與酶之間的電子轉移距離同時負載更多的酶，因此，使用導電納米材料如碳材料、金屬納米粒子或其雜化導電納米粒子等構筑3D 生物電極可以提高酶電極的比表面積，加快電子傳輸速率，改善酶電極的性能，提高EBFC 的電流密度和輸出功率。

2 EBFC 器件構筑與性能

酶生物燃料電池可以在溫和的環(huán)境下進行氧化-還原反應，因此可以作為可植入或可穿戴EBFC 應用在生物醫(yī)學領域[7-8]、構筑自供能傳感器[6]及處理生物有機質廢水[9]。

2.1 可植入和可穿戴酶燃料電池的構筑與性能

近年來，可植入和可穿戴酶燃料電池發(fā)展迅速，特別是在生物體表面應用的可穿戴柔性設備和植入生物體內的植入器件電源。Zhiheng 等[25]在碳布電極上負載了乳酸氧化酶作為酶陽極，在另一塊碳布電極上涂覆金屬鉑作為陰極。在電極之間夾一層濾膜作為電池的隔膜，讓陽極與模擬的汗液接觸，陰極則暴露在空氣中，從而制備出一種可從汗液中獲取能量的柔性EBFC。將該電池貼在皮膚表面，能為可穿戴傳感器提供電能，而且能夠穩(wěn)定運行兩周，但采用碳布作為基底電極，由于其導電性較差，EBFC 的功率密度受到限制。

Reid 等[26]設計了一種柔性酶燃料電池用于隱形眼鏡，該EBFC 酶陽極由導電性良好的巴基紙上負載聚亞甲基綠和一種含乳酸脫氫酶與電子介體NAD+的水凝膠組成，酶陰極用季銨鹽陽離子修飾過的全氟磺酸膜將膽紅素氧化酶固定在另一塊巴基紙表面。將陰極與陰極固定在硅橡膠彈性體表面后，與隱形眼鏡結合，組裝了一種可利用眼淚中的乳酸產生能量的EBFC，如圖4 所示。該電池的最大輸出功率為(8.01±1.4) mW/cm2，可以為隱形眼鏡等微型可穿戴設備提供電能。但在EBFC 運行過程中，陽極的聚亞甲基綠易浸出，使得EBFC 的功率下降，且使用的巴基紙生物相容性較差，因此電極材料及制備方法仍需改進。

圖4 隱形眼鏡生物燃料電池示意圖[26]

Kevin 等[27]在碳納米管制成的巴基紙表面分別固定了葡萄糖脫氫酶、果糖脫氫酶和漆酶，制備了酶陽極和酶陰極，之后將它們組裝成電池，與無線信號傳輸系統相連植入了橙子內部,如圖5 所示。電池可以支持無線信號傳輸系統將信號傳輸10 m 遠。然而，將其植入橙子內部后，電池的穩(wěn)定性仍不滿足實際應用需要，期待經過進一步發(fā)展，電極穩(wěn)定性得到改善后，這種一次性電池可以利用周圍環(huán)境條件來為電子裝置提供電力。

雖然酶燃料電池得到了發(fā)展，但由于需要在生物體表面或植入生物體內作用，仍然存在一些亟待解決的問題，如電極的生物相容性、柔性以及EBFC 的穩(wěn)定性等均需要進一步提高。細菌纖維素[9]具有出色的生物相容性、機械強度、柔韌性以及高比表面積，因此，未來可通過使用細菌纖維素作為電極材料，來改善可植入和可穿戴酶燃料電池的生物相容性和柔性。

圖5 植入橙子的酶燃料電池與無線信號傳輸系統示意圖[27]

2.2 自供能傳感器的構筑與性能

自供能傳感器將電池輸出信號作為分析檢測信號，其信號與被檢測物的濃度成比例關系，實現被檢測物的分析和檢測，該傳感器具有低成本、高靈敏度、快速響應和環(huán)境友好等優(yōu)點，已被應用于免疫、生物學分析、疾病診斷、氣體檢測等方面。

生物體內存在大量的葡萄糖，這種高靈敏度、快速響應的自供能傳感器可用于檢測葡萄糖。Liu等[28]設計了自供能的葡萄糖傳感器(SPGS)，由四個組件構成：葡萄糖氧化酶陽極、Pt/C陰極；上方的葡萄糖通量限制膜；橋接陽極和陰極的電阻器，如圖6 所示。體外評估表明，即使在低O2濃度下，傳感器輸出在生理葡萄糖濃度(2～30 mmol/L)上也是線性的；在30 mmol/L葡萄糖中于37 ℃連續(xù)體外操作60天后，輸出也保持穩(wěn)定。

圖6 自供能葡萄糖傳感器的示意圖[28]

高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)等色譜方法可用于檢測環(huán)境污染物阿特拉津(ATZ)，然而，這兩種方法通常比較昂貴且需要復雜的預處理。Wang 等[29]采用電化學技術設計了一種用于檢測ATZ 的基于EBFC 的新型自供能傳感器，該傳感器陽極由酸化的CNT 將葡萄糖脫氫酶(GDH)固定于玻碳電極上，陰極由載有ATZ 特異性識別體(Apt)的Au 電極組成，陽極電解液為葡萄糖，陰極中使用K3[Fe(CN)6]作為還原探針，以消耗由生物陽極一側的葡萄糖氧化產生的電子；將ATZ 添加到陰極室后，它可以被適體識別并結合到陰極上的特異性識別體上，并阻止電解質中的K3[Fe(CN)6]與陰極表面之間的電子轉移，從而導致輸出電流減小。由此建立了一種基于EBFC 的簡單有效的自供能傳感器(SPA)系統，用于檢測ATZ；此SPA 系統獲得15.3 μW/cm2的最大輸出功率密度和7.5 nmol/L 的低檢測限。圖7 為SPA 系統的ATZ 檢測機理示意圖。

圖7 SPA 系統的ATZ檢測機理示意圖[29]

近年來，基于EBFC 的自供能傳感器受到了廣泛的關注，它具有從環(huán)境中收集能量的能力，并且在對分析物進行檢測時不需要外部電源，在便攜式設備的小型化和檢測方面具有巨大的潛力。

2.3 有機廢水處理酶燃料電池及其性能

酚類化合物作為來自自然界和工業(yè)界的污染物，可能會導致生物機體新陳代謝紊亂、免疫力喪失等。在當前的研究中，漆酶被認為是雙酚A(BPA)降解的最佳選擇，這主要是由于其具有低成本、高催化效率和廣泛的特異性。另外，漆酶的活性位點具有多個銅原子，可將包括BPA 在內的多種酚類物質降解為相應的易處理的醌類物質[30]。

Li 等[9]通過使用漆酶作為唯一催化劑，開發(fā)了一種單酶EBFC，將其固定在已制備的改性細菌纖維素/酸化CNT 的高柔性電極上，將其分別作為陽極和陰極，BPA 作為燃料，組成EBFC，如圖8 所示。該EBFC 產生的開路電壓為0.14 V，比功率達到1.897 W/m3。盡管單EBFC 的輸出功率和電壓與常規(guī)EBFC 相比仍然不高，然而，這種利用成本較低、穩(wěn)定性良好、催化效率較高的漆酶催化有機廢物分解產生電能的方法，對治理有機廢水污染及替代不可再生能源具有重要的意義。

圖8 以BPA為燃料的LAC生物燃料電池示意圖[9]

3 結論與展望

本文主要總結近年來酶生物電極的構筑和酶生物燃料電池的應用。在EBFC 使用的納米材料中，碳基納米材料可以增加電極的比表面積，金屬納米材料可以促進酶與電極之間的電子轉移，而將二者雜化用于制備基于導電納米雜化材料的3D 生物電極，可以提高EBFC 的電流密度和輸出功率，因此酶電極未來的發(fā)展方向是制備基于導電納米雜化材料的3D 生物電極。

EBFC 在可植入器件、可穿戴設備電源以及自供能傳感器、有機廢水處理方面都展現了良好的應用前景。在可植入器件和可穿戴設備電源方面，未來需進一步探索具有生物相容性的柔性導電基底構筑酶電極及酶電極在生物體內的催化性能與穩(wěn)定性；在自供能傳感器方面，一些特殊污染物采用普通的方法檢測過程復雜且價格昂貴，未來可以通過構建過程簡單、快速響應的基于EBFC 的自供能傳感器來檢測這類污染物；在有機廢水方面，漆酶的EBFC 在處理酚類廢水、替代不可再生能源作為燃料產生電能展現出良好的應用前景，但仍需探索酶電極在有機廢水中的穩(wěn)定性及催化性能。