[发明专利]在生物阳极、生物阴极、和生物燃料电池中使用酶的直接电子转移

说明书

[0001]本发明根据由美国海军研究局授予的资助项目3-00475、由高级 防御研究计划机构授予的资助项目3-00487和由美国中央情报局授予的资 助项目300477在政府的支持下进行。美国政府在本发明中拥有某些权利。

发明背景

[0002]总的来说，本发明涉及基于生物酶的燃料电池(生物燃料电池) 和它们的制备方法和应用。更具体地，本发明涉及包含能够在燃料流体和 电子导体之间直接电子转移的酶的生物阳极、生物阴极、和生物燃料电池， 和它们的制备方法和应用。

[0003]生物燃料电池为一种电化学装置，其中通过活细胞和/或它们的 酶的催化活性的方式将衍生自化学反应的能量转化为电能。生物燃料电池 通常使用络合分子以在阳极上产生将氧还原为水所需的氢离子，同时产生 用于电应用的自由电子。生物阳极为其中在燃料氧化时释放出电子的生物 燃料电池的电极，且生物阴极为其中通过催化剂使用电子和来自阳极的质 子将过氧化物或氧还原为水的电极。生物燃料电池与传统燃料电池的区别 在于用于催化电化学反应的材料。生物燃料电池依赖于生物分子如酶而并 非使用多孔金属作为催化剂进行反应。

[0004]多数生物阳极和生物阴极包括电子介体。但是，一些包括电子 介体的生物阳极和生物阴极可以具有降低的寿命，降低的稳定性，不利的 热动力学，和低的电子介体活性。由此，存在对于不存在与包括电子介体 相关的问题的生物阳极和生物阴极的需求。

发明概述

[0005]本发明的多个方面之一为包含电子导体；至少一种阳极酶；和 酶固定材料的生物阳极。该阳极酶能够与燃料流体反应以生成氧化形式的 燃料流体，且能够将电子释放给电子导体。该酶固定材料能够固定和稳定 该酶，且可渗透燃料流体。

[0006]另一方面为包括电子导体；至少一种阴极酶；和酶固定材料的 生物阴极。该阴极酶能够与氧化剂反应以生成水，且能够从电子导体中得 到电子。该酶固定材料能够固定和稳定该酶，且可渗透氧化剂。

[0007]仍另一方面为包括燃料流体、上述生物阳极、和上述生物阴极 的生物燃料电池。另一方面为包括燃料流体、上述生物阳极、和阴极的生 物燃料电池。另外，另一方面为包括燃料流体、阳极、和上述生物阴极的 生物燃料电池。

[0008]使用本文中所述生物燃料电池发电的方法包括，将燃料流体在 阳极或生物阳极上氧化和使氧化剂在阴极或生物阴极上还原。

附图说明

[0009]图1A显示了在基于直接电子转移的胆红素氧化酶生物阴极上 发生的化学反应，且图1B显示了在包括电子介体的生物阴极上发生的化 学反应。

[0010]图2显示了单个的、功能性生物阳极或生物阴极。

[0011]图3显示了微流体生物燃料电池。

[0012]图4(a)-(d)显示了形成单个微电极的过程。

[0013]图5显示了微流体生物燃料电池堆。

[0014]图6为具有介导的(mediated)生物阳极(包含四丁基铵-改性的 和NAD⁺-依赖性(NAD⁺-dependent)醇脱氢酶)和直接电子转移生物 阴极(包含四丁基铵-改性的和胆红素氧化酶)的无膜生物燃料电池 的功率曲线。

[0015]图7为显示具有介导的生物阳极(包含四丁基铵-改性的和NAD⁺-依赖性醇脱氢酶)和直接电子转移生物阴极(包含四丁基铵-改性的 和胆红素氧化酶)的无膜生物燃料电池的功率随时间变化的图表。

[0016]图8为显示具有介导的生物阳极(包含四丁基铵-改性的和NAD⁺-依赖性醇脱氢酶)和直接电子转移生物阴极(包含四丁基铵-改性的 和胆红素氧化酶)的无膜生物燃料电池的功率随温度变化的图表。

[0017]图9为具有介导的生物阳极(包含四丁基铵-改性的和 NAD⁺-依赖性醇脱氢酶)和直接电子转移生物阴极(包含四丁基铵-改性的 和胆红素氧化酶)的生物燃料电池的功率曲线。

[0018]图10为具有介导的生物阳极(包含丁基-脱乙酰壳多糖和NAD⁺- 依赖性醇脱氢酶)和直接电子转移生物阴极(包含丁基-脱乙酰壳多糖和胆红 素氧化酶)的生物燃料电池的功率曲线。

[0019]图11为采用四戊基铵离子改性的低分子量海藻酸酯的荧光显微 照片。