酶生物燃料電池（Enzymatic biofuel cells,EBFCs）是通過生物酶作為催化劑催化生物燃料的氧化還原反應(yīng),將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新型綠色能源。由于葡萄糖、乳酸等生物燃料普遍存在于自然界以及人類的體液中,EBFCs不僅可以在一定程度上能夠緩解日益嚴(yán)重的能源危機,而且在可穿戴式和植入式電子設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著納米材料的不斷發(fā)展,EBFCs的性能有了很大的提升,但是仍難以滿足實際應(yīng)用的需求。針對EBFCs存在能量輸出低等問題,本文探究了改善EBFCs性能的方法。一方面,從EBFCs的反應(yīng)原理出發(fā),通過合成新型納米材料、設(shè)計多孔透氣性的電池結(jié)構(gòu),改善EBFCs裝置內(nèi)氧氣（Oxygen,O2）擴散以及促進電子傳遞。另一方面探尋了無膜EBFCs裝置電極陣列以及電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。主要研究內(nèi)容如下:（1）根據(jù)EBFCs反應(yīng)原理,利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了 EBFCs裝置。通過絲網(wǎng)印刷碳糊電極統(tǒng)一電極基底的制備,并對電極單元和裝置結(jié)構(gòu)進行規(guī)范化設(shè)計,從而實現(xiàn)了裝置良好的一致性。設(shè)計了無膜EBFCs裝置結(jié)構(gòu),實驗驗證了O2對EBFCs輸出性能的影響。在自然空氣狀態(tài)下研究EBFCs電池... 

【文章來源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１?ＥＢＦＣｓ的工作原理和結(jié)構(gòu)示意圖??１．２．２酶生物燃料電池的分類和特點??

２．２＇?－ａｚｉｎｏｂｉｓ（３－ｅｔｈｙｌｂｅｎｚｔｈｉａｚｏｌｉｎｅ－６－ｓｕｌｆｏｎｉｃ??ａｃｉｄ）?ｄｉａｍｍｏｎｉｕｍ?ｓａｌｔ，?ＡＢＴＳ）?［１３】己被普遍用作酶生物傳感器和ＥＢＦＣｓ的電??子媒介體。此外，萘醒（Ｎａｐｈｔｈｏｑｕｉｎｏｎｅ，?ＮＱ）由于其低氧化還原電壓和在水中??的低溶解性在某些情況下也會被用作電子媒介體Ｉ１４］。然而，電子媒介體制備復(fù)??雜，有些媒介體對環(huán)境要求高、有毒性，所以越來越多的研宄者嘗試進行酶和電??極之間的直接電子轉(zhuǎn)移來解決這一問題，如圖１．２Ｂ。然而，酶的特殊蛋白質(zhì)結(jié)??構(gòu)、酶的固定化方法以及酶活性中心的指向等問題一直是限制ＤＥＴ發(fā)展的主要??障礙。近年來，隨著納米材料的不斷發(fā)展為實現(xiàn)ＤＥＴ提供了更加方便的途徑，??已經(jīng)越來越多的研宄者開始使用ＤＥＴ方法制備ＥＢＦＣｓ電極。??此外，按照電池結(jié)構(gòu)ＥＢＦＣｓ可以分為單極室和雙極室兩種類型，其主要區(qū)??別是雙極室燃料電池通過質(zhì)子交換膜將陰陽兩個極室分開，而單極室燃料電池??沒有質(zhì)子交換膜。當(dāng)使用質(zhì)子交換膜時，只有Ｈ＋被選擇性透過，陰陽兩個極室??可以被單獨隔開，反應(yīng)互不干擾｜１５１。然而，質(zhì)子交換膜的使用會增加ＥＢＦＣｓ的??生產(chǎn)成本，并且不利于實現(xiàn)裝置的小型化。而單極室（無膜）ＥＢＦＣｓ不存在質(zhì)??子交換膜，可以減小電池裝置體積，降低電池制備成本。因此，為了推進ＥＢＦＣｓ??的小型化和實用化發(fā)展，越來越多的研究者開始致力于高性能無膜ＥＢＦＣｓ的研??宄但要確保反應(yīng)物、產(chǎn)物的物質(zhì)傳遞不受影響，并且電極之間不會短路。??Ｍｅｄｉａｔｅｄ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｔｒａｎｓｆｅｒ?（ＭＥＴ）?Ｄｉｒｅｃｔ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎ?Ｔｒａｎｓｆ

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文??￣１３?彳／Ｓ?Ｔ２?（，ｎｏｒｍａｉ）?Ｃｕ??又令條２。??Ｓｉｔｅ?ｏｆ?ｓｕｂｓｔｒａｔｅ?（ｃｏｉｎｅｄ?ｂｉｍｊｃｌｅｏｒ）??ｏｘｉｄａｔｉｏｎ?Ｔｒｉｎｕｄｅｔｗ?ｄｕｓｔｅｒ：?ｓｉｔ？?ｏｆ??ｏｘｙｇｅｎ?ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ??圖１．３?ＭＣＯｓ的活性位點，綠色的球體即銅原子［３４］??１．３．３酶的固定化方法??在ＥＢＦＣｓ的初期研究中，酶通常以自由狀態(tài)分散在溶液中，這種情況下酶在??溶液中的氧化還原反應(yīng)不穩(wěn)定，電子在溶液中傳遞困難而且酶很難重復(fù)利用。早??在２０世紀(jì)８０年代，Ｐｌｏｔｋｉｎ和Ｐｅｒｓｓｏｎ就發(fā)現(xiàn)當(dāng)酶被固定在電極表面時ＥＢＦＣｓ的??輸出可以有很大的提升％３７］。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，酶在電極表面的固定化技術(shù)仍??然是影響ＥＢＦＣｓ表現(xiàn)的重要因素，良好的酶的固定不僅會增大ＥＢＦＣｓ的輸出電??流／功率密度，而且會在一定程度上延長ＥＢＦＣｓ使用壽命。近年來，常用的酶固??定化方法主要是物理吸附［３８］、共價鍵交聯(lián)法［３９］、包埋法［２２］、電化學(xué)聚合法＠］和??層層自組裝［４｜］。??（１）物理吸附法??物理吸附法通過氫鍵、范德華力等物理吸附力將酶和媒介體等固定在載體材??料上，是最簡單、經(jīng)濟的酶固定化方法。物理吸附不會破壞酶或者媒介體的物理??結(jié)構(gòu)，可以使酶保持高催化活性［４２，４３］。但是酶的固定不是特別牢固，固定在載體??上的酶往往會發(fā)生解吸。此外，酶固定的量受載體種類影響較大，常選用具有高??吸附能力和大比表面積的吸附劑。??（２）共價交聯(lián)法??共價交聯(lián)法是固定酶最常見的策略，它是通過酶的功能化基團和基底電極之??間的化學(xué)鍵綁定來實現(xiàn)酶的

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于細胞電生理檢測的在體及離體微電極設(shè)計仿真[J]. 徐瑩,楊勇,韓斌,羅平.  傳感技術(shù)學(xué)報. 2009(08)
[2]串/并聯(lián)微生物燃料電池的性能[J]. 李頂杰,何輝,盧翠香,李浩然,杜竹瑋.  過程工程學(xué)報. 2009(02)
[3]高效細胞電融合芯片中的電場分析[J]. 曹毅,楊軍,陰正勤,侯文生,鄭小林,胡寧,楊靜,許蓉,張瑞強.  分析化學(xué). 2008(05)

博士論文
[1]三維碳納米材料基葡萄糖氧化酶修飾電極的構(gòu)建及性能研究[D]. 康澤朋.北京科技大學(xué) 2018
[2]柔性納米發(fā)電機的制備及其在自驅(qū)動紫外傳感器的應(yīng)用[D]. 張璐.蘭州大學(xué) 2017
[3]基于氮摻雜碳材料的酶生物燃料電池研究[D]. 蓋盼盼.南京大學(xué) 2015
[4]基于MEMS的低電壓細胞融合芯片與系統(tǒng)的研究[D]. 蔣峰.華中科技大學(xué) 2013

碩士論文
[1]葡萄糖生物燃料電池酶電極的構(gòu)建和性能研究[D]. 張兆.山東大學(xué) 2019
[2]基于微生物燃料電池的串并聯(lián)與電源管理系統(tǒng)的研究[D]. 徐馭帆.東南大學(xué) 2016
[3]基于納米碳材料的酶生物燃料電池陽極構(gòu)建與性能研究[D]. 孫龍飛.湖南大學(xué) 2015
[4]基于碳納米管的酶生物燃料電池酶電極的研究[D]. 劉娟.湖南大學(xué) 2012
[5]固定化酶的制備與酪蛋白合成類蛋白的研究[D]. 鹿波.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 2007



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