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青島能源所在微生物燃料電池研究取得係列進展

2026-04-11 20:34:575009

近jin日ri，在zai國guo家jia自zi然ran科ke學xue基ji金jin和he中zhong國guo科ke學xue院yuan知zhi識shi創chuang新xin工gong程cheng重zhong要yao方fang向xiang項xiang目mu等deng項xiang目mu支zhi持chi下xia，中zhong國guo科ke學xue院yuan青qing島dao生sheng物wu能neng源yuan與yu過guo程cheng研yan究jiu所suo生sheng物wu傳chuan感gan器qi團tuan隊dui負fu責ze人ren、中科院“百人計劃”入選者劉愛驊等在基於木糖脫氫酶表麵展示體係的微生物燃料電池研究取得新進展。

生物燃料電池是指以微生物或酶為催化劑，將生物燃料中的化學能直接轉化為電能。較傳統燃料電池有如下特點：1）燃料來源廣泛，自然界的可再生有機物都可能作為燃料；2）反應條件溫和，可在常溫、常壓、中性pH值條件下進行；3）生sheng物wu相xiang容rong性xing好hao，可ke為wei植zhi入ru人ren體ti的de人ren造zao器qi官guan或huo生sheng物wu傳chuan感gan器qi提ti供gong能neng源yuan。該gai團tuan隊dui通tong過guo細xi菌jun表biao麵mian展zhan示shi技ji術shu構gou建jian酶mei的de微wei型xing生sheng物wu工gong廠chang，省sheng去qu了le酶mei生sheng產chan過guo程cheng中zhong耗hao時shi、高成本的純化過程（Analytical Chemistry 2012, 84, 275-282）。

同時，該團隊基於細菌表麵展示的木糖脫氫酶(bacteria-XDH), 通過優化條件，構築了bacteria-XDH /聚亮燦甲酚蘭/多壁碳納米管/玻碳電極 (bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE)為生物陽極和膽紅素氧化酶修飾的電極為生物陰極的無隔膜生物燃料電池。該體係開路電位可達0.58V，最大輸出功率密度為63 μWcm-2（圖1，曲線e），對比於相同酶活提純的XDH修飾的陽極（圖1，曲線d），功率提高60%。該(gai)研(yan)究(jiu)將(jiang)酶(mei)的(de)細(xi)菌(jun)表(biao)麵(mian)展(zhan)示(shi)技(ji)術(shu)應(ying)用(yong)於(yu)生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)，既(ji)解(jie)決(jue)了(le)微(wei)生(sheng)物(wu)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)中(zhong)普(pu)遍(bian)存(cun)在(zai)的(de)跨(kua)膜(mo)電(dian)子(zi)傳(chuan)遞(di)與(yu)物(wu)質(zhi)運(yun)輸(shu)的(de)問(wen)題(ti)，又(you)解(jie)決(jue)了(le)酶(mei)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)中(zhong)酶(mei)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)低(di)、成本高的問題。（Biosensors & Bioelectronics 2013, 44, 160-163）

一般認為， 17%到31%demuzhixianweisujingshuijiehouhuizhuanhuaweimutang，ruhetigaoweishengwufajiaomutangdezhuanhualvchengweiyimuzhixianweisuweiyuanliaoshengchanranliaoyichundejishupingjingzhiyi。muqian，weishengwufajiaofangfahaoshichang、副產物多、chanlvdi，jiangdilemutangdeliyonglv。benyanjiukewangweimuzhixianweisushuijiechanwudegaoxiaoliyongtebieshizhijiejiangmuzhixianweisushuijiechanwuzhuanfaweidiannengkaipilexintujing。

此(ci)外(wai)，基(ji)於(yu)微(wei)生(sheng)物(wu)表(biao)麵(mian)展(zhan)示(shi)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)和(he)構(gou)建(jian)，該(gai)團(tuan)隊(dui)開(kai)發(fa)了(le)一(yi)係(xi)列(lie)基(ji)於(yu)電(dian)化(hua)學(xue)修(xiu)飾(shi)電(dian)極(ji)檢(jian)測(ce)木(mu)糖(tang)和(he)葡(pu)萄(tao)糖(tang)的(de)方(fang)法(fa)。這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)可(ke)實(shi)現(xian)複(fu)雜(za)體(ti)係(xi)包(bao)括(kuo)木(mu)質(zhi)纖(xian)維(wei)素(su)降(jiang)解(jie)液(ye)中(zhong)木(mu)糖(tang)或(huo)葡(pu)萄(tao)糖(tang)的(de)高(gao)靈(ling)敏(min)、低幹擾、快速檢測或共檢測。相關研究成果發表在Analytical Chemistry 2012, 84, 275-282和Biosensors & Bioelectronics 2012, 33, 100-105; 2013, 42, 156-162; 2013, 45, 19-24。

原文連接：

1. Biosensors & Bioelectronics 2013, 44, 160-163.：

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566313000298

2. Analytical Chemistry 2012, 84, 275-282：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac202513u

3. Biosensors & Bioelectronics 2012, 33, 100-105;:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S095656631100827X

4. Biosensors & Bioelectronics 2013, 42, 156-162:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566312007567

5. Biosensors & Bioelectronics 2013, 45, 19-24:

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566313000535

圖1. A) 基於不同生物陽極的生物燃料電池的功率密度輸出曲線。(a) XDH/MWNTs/GCE生物陽極，10 mM NAD+； (b) XDH/MWNTs/GCE生物陽極, 30 mM木糖+10 mM NAD+; (c)XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽極, 10 mM NAD+； (d) XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽極, 30 mM木糖+ 10 mM NAD+； (e) bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE生物陽極，30 mM木糖+ 10 mM NAD+。B), 以bacteria-XDH/PBCB/MWNTs/GCE為生物陽極的燃料電池的最大輸出功率密度與木糖濃度的關係曲線圖。支持電解質為氧氣飽和的0.1M PBS溶液(pH7.4)。