瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院納米技術(shù)研究團隊開發(fā)出全球首個全功能生物燃料電池，其生物催化劑（在發(fā)電中起關(guān)鍵作用的酶）直接自組裝到電極上。在大約5分鐘內(nèi)，添加到生物燃料電池溶液中的酶-納米顆粒雜化物選擇性地結(jié)合陽極或陰極，這樣就形成生物燃料電池的關(guān)鍵組分。

由安德烈亞斯·斯特默，亞歷山大·特里福諾夫和藍恩·特爾瑞德組成研究人員在最近一期《先進材料·納米》期刊上發(fā)表了這篇關(guān)于自組裝生物燃料電池的論文。

特里福諾夫說：“我們已經(jīng)展示了一種自組裝生物燃料電池，它可以按需發(fā)電，可以通過磁場打開和關(guān)閉。該系統(tǒng)還可以在只更換有源元件的情況下多次重復(fù)使用電極。”

近年來，自組裝方法作為制造各種納米級結(jié)構(gòu)的工具已經(jīng)出現(xiàn)，其在燃料電池，電池和其他能量存儲和發(fā)電裝置中具有潛在的應(yīng)用。在自組裝中，最常見的策略之一是使用力場（電場，磁場等）使某些區(qū)域在能量上更有利于納米粒子，引導(dǎo)它們在這些區(qū)域聚集。然而，到目前為止，尚未出現(xiàn)直接自組裝方法形成功能完整的生物燃料電池。

全功能生物燃料電池工作流程

這里報道的生物燃料電池旨在將含果糖的液體（如葡萄汁）轉(zhuǎn)化為電能。為此，細胞使用酶作為活性元素，將糖中的電子（通過氧化）釋放到陽極中。然后電子通過導(dǎo)線傳播到陰極，產(chǎn)生電流。在陰極，其他酶使用電子（通過還原，氧化反向）和溶液中存在的氧來產(chǎn)生水。

生物燃料電池開發(fā)面臨的最大挑戰(zhàn)之一是將氧化和還原催化酶固定在足夠靠近電極的位置，以確保從糖中釋放的電子最終在氧還原過程中結(jié)束。固定是必要的，以便氧化和還原過程同時發(fā)生，使得連續(xù)電流能夠流過電線。如果其中一個生物燃料電池的隔室（陰極或陽極）不能正常工作，整個過程就會停止。

這是自組裝過程非常有用的地方，因為它迫使兩種類型的酶（氧化催化和還原催化）緊密結(jié)合到適當?shù)碾姌O（分別為陽極或陰極）。酶首先與碳涂覆的磁性納米顆粒雜交，所述磁性納米顆粒本身附著于兩種類型的配體之一，所述配體是具有特殊化學性質(zhì)的分子。當將這些酶-納米顆粒雜化物的混合物置于生物燃料電池中時，配體和電極之間的反應(yīng)迫使氧化催化酶-納米顆粒結(jié)合到陽極，而還原催化酶-納米顆粒結(jié)合到陰極。這實現(xiàn)了將酶固定在適當電極上的目標，并允許不間斷的氧化和還原過程。

（i）完整的生物燃料，（ii）無配體，（iii）20分鐘熱預(yù)處理，和（iv）沒有燃料情況輸出對比

研究人員還展示了該設(shè)計的另一個潛在有用特征：拆卸。由于納米顆粒是磁性的，施加的磁場導(dǎo)致酶-納米顆粒從電極分離，終止電流并將納米顆粒釋放到電解質(zhì)中，從中可以除去納米顆粒。然后可以添加新批次的酶納米顆粒，其與之前一樣，自組裝到電極上。這種用新的生物催化劑更新舊的降解生物催化劑的能力提供了一種重新激活細胞并延長其壽命的方法。

與非自組裝生物燃料電池相比，當前版本的生物燃料電池具有相對較低的功率輸出，但研究人員預(yù)計，通過各種優(yōu)化技術(shù)可以顯著提高性能。他們計劃在未來進行調(diào)查。其他需要探索的領(lǐng)域包括針對各種功能定制具有不同分子的酶-納米粒子，以及修改細胞以使用不同的燃料。

特里福諾夫說：“未來計劃是擴展所提出的各種酶的技術(shù)，這將使能量從許多不同的燃料（如葡萄糖，乳酸，酒精等）中獲取。此外，我們的目標是延長此類生物燃料電池的使用壽命，同時測試自組裝過程的不同相互作用組合，以擴大酶-磁-納米粒子雜化物所覆蓋的表面積，增強設(shè)備的最終功率輸出。“