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微生物燃料电池的未来在哪?

日期:2020-01-13 人气:4498

开发可持续和可再生能源,更加尊重环境,是21世纪的一项重大挑战。在各种替代能源中,燃料电池对清洁电能的生产有了极大的兴趣。燃料电池通过电化学反应产生电力,通过在阳极处氧化诸如氢和醇的燃料,以及在阴极处还原氧化剂,通常是氧气。燃料电池将通过提供的燃料和氧化剂产生电力,伴随着热量和水作为副产品。酶燃料电池(EFC)和微生物燃料电池(MFC)是燃料电池的子类别,它们具有相似的能量生产操作原理。EFC和MFC的应用范围至少在目前受限,仅应用于诸如致动器和传感器之类的微电子系统供电以及用于环境修复和卫生系统。酶和微生物生物燃料电池在体积大小(cm3到m3),功率密度输出(μW到mW)和目标应用方面在很大差异。另一个重要的考虑因素是生物催化剂的成本,由于诸如所需的大量MFC和长期维护成本等限制,这种方法仍处于学术研究水平。然而,MFC构成了用于产生电能的原始且环保的系统。另一方面,EFC由于其优异的功率密度和紧凑性而更适合于小型化并且用作可穿戴和可植入电子设备的便携式电源。EFC似乎作为无电池电源解决方案具有更大的前景,它们的潜力确实具有可想象的真实应用。

【工作介绍】

格勒诺布尔阿尔卑斯大学的一篇名为:Beyond the hype surrounding biofuel cells: What's the future of enzymatic fuel cells? 的文章,在对基于酶和微生物的生物燃料电池进行简述和简短比较后,讨论了酶燃料电池(EFC)的几个重要发展和应用,试图阐明一些迄今为止被忽视的EFCs,并揭示有关未来方向的新见解。本讨论强调如何评估EFC的性能,并强调温度的影响以及EFC作为电源在实际应用中的考虑。简要回顾了使用巴基纸和氧化还原纳米颗粒的EFC设计中的一些最新和最重要的创新。该文章发表在Current Opinion inElectrochemistry期刊上。本文通讯作者为Serge Cosnier。

【内容表述】

最初,开发EFC以主要通过阳极处的糖类氧化以及阴极处的氧的还原来产生电能。除了迄今为止在阳极上开发最多的燃料葡萄糖,已经研究过燃料包括果糖,丙酮酸盐,氢气,乳酸盐,甲醇和乙醇。由于葡萄糖是生物体中必不可少且相对丰富的能量来源,因此特别注意开发用于从生理流体为植入的医疗装置供电的可植入EFC。同时,EFC被认为可用于便携式电子设备供电,例如移动电话,传感器,数字音乐播放器,笔记本电脑和GPS系统。最近的氢化酶电极表现出与Pt基电极可竞争的特性,例如长期稳定性,mW功率密度,对诸如CO和硫化物的燃料杂质不敏感,以及对O2的耐受性。与葡萄糖EFC相比,氢EFC的主要优点在于燃料的尺寸,显着小于葡萄糖或用于电酶布线的各种氧化还原介质,已经实现了功率密度的显着改善,其可以匹配或甚至超过葡萄糖EFC的性能。但氢气用于EFCs使我们面临H2储存和运输的问题。实用的高密度氢存储仍然是专用于便携式应用的EFC的主要挑战。

一、那么如何定义EFC电源呢?

EFC性能的比较和持续优化的问题之一涉及其功率输出及其定义方式。EFC的功率密度是一个重要参数,必须与EFC产生的实际功率相关联,以确定实际可以考虑哪些应用。例如,高毫瓦功率可能仅在极短时间的峰值活动中需要。生物电极的另一个问题是,功率高度依赖于电极形态,包括吸附酶的结构和厚度,以及在生物催化剂层内部和外部发生的关键质量传递和电荷传播过程。关于电极结构,生物燃料电池的功率密度通常仅相对于电极的几何表面计算。大多数生物电极现在基于3D结构,电极厚度和表面积差异很大。另一个困难有时也在于利用具有不同尺寸的阳极和阴极的EFC的设计。现在似乎以mW/cm3定义生物电极的体积功率似乎是有价值的,特别是如果使用厚度范围为微米和厘米的3D电极。对于单个EFC,生物电极之间距离的优化(其也对电阻,基板供应和副产物形成起作用)将成为功率/尺寸比的关键考虑因素

二、温度对EFCs运行的影响

EFC的另一个主要问题涉及温度对酶催化反应的速率和稳定性的影响。这个关键参数经常被低估或忽略,但却可以彻底改变不同应用的EFC。根据酶的来源,温度/活性曲线可能显示从低温(3-5℃)到高温(50-80℃)的最佳值。考虑到EFC必须在阳极和阴极处使用两种非常不同的酶,温度可能会影响为暴露于温度变化大的某些环境条件的便携式电子设备供电的EFC使用。但这并不意味着相关的酶不适合在高温下操作。如使用热稳定酶的H2/O2 EFC所证明的那样,在这些(相对)温和的条件下已经获得了高功率密度,从而可以为无线传输系统供电。

除温度因素外,生物燃料电池中使用的溶液类型是EFC研究中另一个关键但常常被忽视的因素。到目前为止,相对较少的研究已经研究了EFC在基质中的性能,以用于生物流体,环境水或废水等实际应用。对于人体综合应用,最近的研究已经开始直接在人血清,尿液,唾液和血液中解决生物电极和EFC的性能。由于低底物浓度和抗坏血酸,氯化物,尿酸和生物物理物质的干扰而降低EFC功率输出和稳定性的缺点,已报道的解决策略包括使用透析袋作为保护膜,这是在2010年首次报告的植入大鼠的EFC的策略。

三、基于Buckypaper的可穿戴设备和可植入设备的EFC

碳纳米管是生物电极设计中广泛使用的材料。在过去的5到7年中,已经出现了用于生物燃料电池的独立式CNT薄膜,称为巴基纸(buckypapers)。Buckypaper薄膜是自支撑宏观片状的缠结CNT,通过π-π堆叠相互作用保持在一起,平均厚度为5-200μm。与基于玻璃碳的电极相比,这些电极更轻,更紧凑和柔韧,并且更容易加工成不同的形状和尺寸。Minteer及其同事开发了一种基于小型化巴基纸的乳酸/O2EFC嵌入隐形眼镜中,用于人类眼泪手术。除了提高灵活性和可操作性之外,酶修饰的巴基纸被证明是EFCs的有效生物电极。为了改善通常受到氧气限制的生物阴极的有限性能,Atanassov及其同事的阴极设计将气体扩散层与催化巴基纸相结合,从而可以利用两种材料的各自益处。

四、基于纳米粒子的可充电EFC的观点

EFC面临着两个主要的技术瓶颈,目前阻碍了它们的发展,即它们的寿命短,并且在较小程度上,它们的功率输出低EFC的低稳定性主要与固定化酶(内在催化组分)的失活有关。特别是,酶的稳定性有限,取决于它们的使用环境(温度,pH,抑制剂......)。低功率输出与包括酶和氧化还原介质对电极的不佳固定的因素有关,这显着降低了它们的迁移率和柔韧性。一个解决方案是开发基于酶的限制溶液和氧化还原介质或电子转移促进分子的超分子组装的生物电极。该策略将通过允许更新溶解的酶和氧化还原介体来克服EFC的低操作稳定性,从而导致可再充电的EFC。为了构建生物阴极,通过宿主-客体与双芘-ABTS的相互作用修饰纳米颗粒,并用作电子穿梭器以促进溶液中电极和胆红素氧化酶之间的电子转移(图3)。与在溶液中使用ABTS的相同电酶系统相比,氧化还原纳米颗粒导致增强的催化电流和改善的O2还原稳定性。

结论目前正在探索EFCs的大量新兴方向,例如用于连续酶级联反应的代谢系统,寻求结合金属和酶的优点的混合燃料电池,具有增强的热稳定性的工程酶,分子的使用模拟酶活性的催化剂具有非常大的转换频率和高稳定性,以及超级电容器与燃料电池装置的集成。另一个关键的新兴领域涉及生物燃料电池电源管理系统以及诸如电容器的能量存储系统的结合,以延长生物燃料电池寿命以用于实际应用。这个令人兴奋的研究领域的承诺和挑战现在需要化学家,表面科学家,生物科学家,电子工程师和材料科学家之间真正的跨学科研究工作。尽管存在技术障碍,但EFC的确有潜在应用,包括可植入的EFC,用于短期(1-3个月)的疾病的定期监测,以及用于一次性医疗设备的完全可生物降解的EFC。

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