[发明专利]生物阴极中的固定化酶

说明书

政府支持

该工作部分受到海军研究局(Office of Naval Research)的授权(授权号N00014-03-0222)。美国政府在该发明中拥有某些权利。

发明背景

本发明一般涉及基于生物酶的燃料电池(a.k.a.生物燃料电池)和它们的生产方法和用途。更特别地，本发明涉及生物阴极和它们的生产方法和用途。

相关文献描述

将本说明书全文中引用的参考文献并入本文作为参考。那些参考文献的讨论仅仅意在总结它们的作者的主张并且不承认任何参考文献构成现有技术。申请人保留反驳所引用的参考文献的准确性和适当性的权利。

生物燃料电池是一种生物化学装置，其中来自化学反应的能量通过活细胞和/或它们的酶的催化活性转化成电能。生物燃料电池通常使用复杂分子在阳极产生将氧还原成水所需的氢离子，而产生用于电应用中的自由电子。生物阴极是生物燃料电池的电极，其中来自阳极的电子和质子被催化剂使用将氧还原成水。生物燃料电池类似于常规的聚合物电解质膜(“PEM”)燃料电池，因为它由通过某种屏障或者盐桥，例如聚合物电解质膜分开的阴极和阳极组成。生物燃料电池与常规燃料电池的不同处是用于催化电化学反应的材料。生物燃料电池不是使用贵金属作为催化剂，而是依赖于生物分子如酶来进行反应。尽管早期生物燃料电池技术使用完整微生物的代谢途径，但是与该方法相关的问题包括完整生物的低容量催化活性和不实际的功率密度输出[Palmore和Whitesides，1994，ACS Symposium Series566：271-290]。酶分离技术通过增加容量活性和催化能力刺激了生物燃料电池应用的发展[Palmore和Whitesides，1994，ACS Symposium Series 566：271-290]。所分离的酶生物燃料电池通过克服与电子传递的细胞膜阻抗和缺少消耗燃料的微生物生长相关的干扰增加了功率密度输出。

尽管酶是高度有效的催化剂，但是将它们掺入燃料电池存在问题。早期基于酶的燃料电池含有在溶液中而不是固定在电极表面上的酶[Palmore和Whitesides，1994，ACS Symposium Series 566：271-290和其中的参考文献，将它们并入本文作为参考]。溶液中的酶仅稳定数天，而固定化的酶可以稳定数月。基于酶的生物燃料电池的一个主要障碍是将酶固定在电极表面的膜中，该膜将延长酶的寿命和形成机械和化学稳定层，而不在电极表面形成电容性区。在多数H₂/O₂燃料电池中，将催化剂保持在电极表面的粘合剂是Nafion。Nafion是全氟化离子交换聚合物，其具有作为离子导体的优秀性质。然而，Nafion还没有在将酶固定在生物燃料电池电极的表面获得成功，因为Nafion形成酸性膜，其减小了酶的寿命和活性。

其他人已经进行了一些尝试以开发掺入固定化酶的生物燃料电池。在美国专利号6,294,291、美国专利号6,531,239和Chen等人，J.Am.Chem.Soc.2001，vol.123：8630-8631中描述了用于生物燃料电池的固定化酶的多种方法，其中酶显示出至少最小的活性和稳定性，将所述文献引用作为参考。那些参考文献描述了将多种氧化还原酶固定到聚合物sol凝胶基质上，该基质也掺入电子传递介体，如锇、钴或者钌络合物。然而，重要的是注意到酶仅固定到sol凝胶的表面(即，二维的)，其不是缓冲的。从而，那些公开中描述的酶具有非常有限的稳定性，最大活性寿命通常不超过7到10天。

Minteer等人开发了一种生物燃料电池，其包括改进的生物阳极(在专利申请60/429,829、60/486,076和10/617,452中公开)，该电池的活性寿命大于45天，性能没有下降。该生物燃料电池的一个具体实施方案使用脱氢酶和NAD⁺作为阳极催化剂并使用乙醇作为阳极燃料，和ELAT电极，其包含Vulcan XC-72上的约20％Pt(E-Tek)作为阴极催化剂，溶解氧作为阴极燃料。该生物燃料电池的断路电压在20℃和pH7.15下为0.82V，最大功率密度为2.04mW/cm²。