蓝多铜氧化酶逻辑调控的燃料电池性能研究

This project is based on the unique geographical feature of XinJiang region and requirements for energy supply versatility.On the basis of summarization to the development and current status of enzyme logic modelling biofuel cell, focused on the key issue to limit the performance of enzyme logic controlled biofuel cell,this projiect plans to launch preparation of membrane-free enzymatic biofuel cell which consists of multi-copper oxidase based biocathodes with preferable performance with multi-copper oxidase as cathodic catalyst and bioanode with glucose/glucose hydrogenase as anodic one.This memebrane-free enzymatic biofuel cell is fabricated through the assembly of bioanode and biocathode which is prepared via reconstitution of active center occurred outside of enzyme molecule,preparation modified nano-device by functional group with characteristics of molecular wire/logically controlled structural variation and synthesis of redox hydrogel with reversibly variable output of energy followed by external factor.This fuel cell’s performance is of variability via modelling of light,pH value,magnet and electric.Influence of enzyme carrier structural parameter, preparation techneque of fuel cell and external factor on dynamics of catalytic reaction in enzyme based electrode will be sysmatcially investigated to verify rate determining step in enzyme electro-catalytic cycle and relationship between performance of cell and external factor. Final goal is to achieve a prototype of enzyme based fuel cell with high energy output density, adjustable energy output with potential requirements,good adaptability for circumstance,low cost and long life-span

本项目基于新疆地区特殊的地理条件和对能源供给多样化的需求，以本地丰富的矿产和生物资源为依托，在总结酶逻辑调控燃料电池发展现状的基础上，针对当前制约酶逻辑调控燃料电池使用性能的关键问题以及未来此类电池的发展趋势，项目拟开展以多铜氧化酶为燃料电池阴极催化剂，以葡萄糖氧化酶/葡萄糖脱氢酶作为阳极催化剂，通过构筑分子外活性中心重构、制备具有分子导线/逻辑控制结构变化的官能团修饰纳米器件，以及合成随外界条件发生可逆变化以调控电池性能的氧化还原水凝胶等方法，制备高性能的多铜氧化酶基阴极，在此基础上组装无隔膜酶燃料电池，以光，pH，磁以及电调控等方式来改变电池的能量输出性能。同时系统地研究固酶载体结构，制备方法及外界条件对固酶电极上催化反应动力学的影响，确定酶电催化循环的关键步骤以及外界因素与电池性能之间的关联，以期实现得到高输出能量密度、能量根据需要调节，对环境适应性好，成本低且寿命长的酶燃料电池目的

本项目基于新疆地区社会经济发展不平衡的区情，特殊的地理条件和因地制宜地发展多种形式能源产生和储存装置的现实需要。在以往酶基燃料电池构效关系研究的基础上，本项目针对酶逻辑调控电池各组元化学特性，相互作用对电池能量输出性能的影响研究不充分的问题，测试了众多的体系并对实验结果进行了详尽的分析和总结。本研究团队选定各种纳米材料单独或是与高分子结合所得的复合物作为导电基体和固酶载体，将应激基团和氧化还原酶分子同时固载在纳米复合物表面制得固酶电极并进而组装为酶逻辑调控电池。采用光谱学技术，电化学技术以及其他表征测试手段综合研究了酶逻辑调控电池各组分的结构特性以及各组分之间相互作用对固酶电极电化学行为，催化动力学以及酶逻辑调控电池能量输出效率的影响。实验结果表明：固载酶分子与应激基团功能化纳米材料各组分之间相互作用-邻近配位作用、氢键作用以及π-π堆积作用会对酶分子在载体表面的聚集状态、固载酶分子的表面化学特性、酶活性中心的配位构型、酶活性中心-导电基体之间的电子迁移路径以及酶催化底物反应动力学产生不同程度的影响。当酶与纳米复合物间通过共价键偶联，酶-复合物基元间存在邻近配位作用且酶-固酶载体间的相互作用能够使固载酶分子中α螺旋结构比例显著提高，分子有序度有较大的升高，固酶复合物表面疏水性有所增强，利于实现酶-电极间的有效直接电子迁移和对底物的有效电催化。当固酶应激基团功能化纳米复合物各基元之间相互作用较强，能形成理化性质，尤其是光谱学性质，电子迁移机制和催化反应机制有别于固酶纳米复合物各基元的复合物，则其光学特性、温敏特性、pH敏感性、电化学活性和催化底物反应机制决定了此类固酶应激基团功能化纳米复合物基电极组装所得酶燃料电池的能量输出性能和外界信号对电池性能的调控能力。