酶生物燃料电池电极电子传输机理的动力学研究

An Enzymatic biofuel cell is a specific type of fuel cell which uses enzymes and emiconductor or conductor materials to construct electrode, and can directly translate chemical energy into electrical power produced upon biological enzyme catalyzing organica fuel. Enzymatic biofuel cell is a clean, mild and renewable green power and has potential application in the medical, environment management, aerospace fields and so on. For the low power output of enzymatic biofuel cell and the low efficiency of electron transfer in the enzyme electrodes, this project mainly simulates the electron transport processes in the enzyme modified electrodes by the quantum mechanical and molecular mechanical methods. Besides, we will analyse the biocompatibility of enzymes with different electrode materials and mediators and we will compare electron transfer efficiencies and mechanisms of enzyme catalyzing reactions for the different connecting formations between the electrode material and enzymes, including mediator, no medoator, direct covalent (fixed), and nocovakent links. In addition, we also examine the change of potentical energies during the electron transfer processes and exlore the dependent relationship between the dynamics regularity and the specific stucture of enzyme modified electrode. Finally, we will elucidate the electron tansfer mechanisms between the protein surface and inorganic electrode surface and then explore how to improve and optimize the electron transfer mechanisms of enzyme electrodes. The execution of the work may provide valuable theoretical guidance for designing more effective enzyme electrodes and is of important significance for revealing the essence of enzyme activities.

酶生物燃料电池（Enzyme Biofuel Cell）是直接利用生物酶与半导体或导体组装成电极，利用生物酶催化有机燃料反应，直接把化学能转化为电能的一种新型的燃料电池。酶生物燃料电池是一种清洁、温和的可再生的绿色能源，它在医疗、环境治理和航天航空等领域有着潜在的使用价值。本项目针对酶燃料电池的输出功率低和酶电极电子传递效率低的问题，利用量子力学和分子动力学模拟酶修饰电极的电子传输过程；分析不同材料的电极和电子传递介质与酶的生物相容性；比较有无电子传递介质和酶是否固定到电极上的酶催化燃料反应的效率、电子传输的机理；标度电子传递过程的势能变化,探讨电子传递动力学规律性与特定的电极结构的依赖关系。明确酶蛋白表面与无机电极表面的电子传输机理，探讨改善优化酶电极电子传递机制的可能性。该工的开展不仅为设计更有效的酶电极提供理论指导，而且对揭示生物酶的活动本质也具有重要的意义。

酶生物燃料电池（Enzyme Biofuel Cell）是直接利用生物酶与半导体或导体组装成电极，利用生物酶催化有机燃料反应，直接把化学能转化为电能的一种新型的燃料电池。酶生物燃料电池是一种清洁、温和的可再生的绿色能源，它在医疗、环境治理和航天航空等领域有着潜在的使用价值。本项目针对酶燃料电池的输出功率低和酶电极电子传递效率低的问题，通过QM/MM模拟葡萄糖还原酶与碳纳米电极之间的相互作用，并结合分层算法ONIOM具体分析蛋白质界面与碳无机电极之间的电子传递通道；详细研究了电极的电荷对碳纳米电极与芳香氨基酸的作用的影响，并明确了芳香环与碳纳米电极之间耦合模式以及电荷的传输方向；理论说明了碳纳米管对葡萄糖还原酶的辅基黄素活性的影响，通过过渡态的分析发现黄素与碳纳米管的π-π作用有助于黄素的催化氧化反应，使其发生π-π促进质子耦合双电子传递机理；为解释阳极区域电子空穴怎样有效传递问题，我们发现了一系列电荷传递中间体，包括一类两体三电子中继站、四类三体五电子中继站和两类四体七电子中继站，它们的发现为研究生物燃料电池蛋白质部分电荷传递通道开辟新思路；发现了水分子的存在能够促进酪氨酸侧链和半胱氨酸侧链间的电子传递，使其发生水协助双子耦合电子传递机理；研究阴极区域负电荷（过剩电子）的传递机理，提出单或多质子耦合溶剂化电子传递机理。这些结果的获得不仅为设计更有效的酶电极提供理论指导，而且对揭示生物酶的活动本质也具有重要的意义。本项目到目前为止完成论文整理10篇，已经发表6篇（其中1篇发表在J Am Chem Soc，5篇发表在J Phys Chem），取得一系列令人满意的成果，达到了预期要求。