研究人员将两个概念结合起来 使这个系统像贵金属催化剂一样高效

原则上，与酶促氢化酶一起使用的燃料电池与含有昂贵的贵金属铂作为催化剂的燃料电池一样有效。然而，酶需要水环境，这使得反应起始材料-氢气-难以到达负载酶的电极。研究人员通过将以前开发的包装酶的概念与气体扩散电极技术相结合，解决了这个问题。以这种方式开发的系统实现了比以前用氢化酶燃料电池实现的显著更高的电流密度。

在《自然通讯》杂志上，来自波鸿鲁尔大学电化学科学中心的团队，以及来自鲁尔河畔米尔海姆马克斯普朗克化学能转换研究所和里斯本大学的同事描述了他们如何开发和测试电极。本文发表于2018年11月9日。

气体扩散电极的优缺点

气体扩散电极通过使用催化剂可以有效地将气态原料输送到电极表面进行化学反应。它们已经在各种系统中进行了测试，但是催化剂直接电连接到电极表面。“在这种类型的系统中，只有一层酶可以应用于电极，这限制了电流，”波鸿化学家Adrian Ruff博士描述了一个缺点。此外，酶不能免受有害环境的影响。然而，在氢化酶的情况下，这是必要的，因为它在氧存在下是不稳定的。

氧化聚合物作为氧气保护罩

近年来，波鸿电化学科学中心的化学家开发了一种氧化还原聚合物，可以嵌入氢化酶并保护它们免受氧气的影响。然而，在此之前，他们只在平面电极上测试了这种聚合物基质，而不是在多孔三维结构上，如气体扩散电极中使用的那些。

电化学科学中心主任沃尔夫冈舒曼教授说：“多孔结构提供了一个大的表面积，从而实现了高酶负载量。”“但尚不清楚这些结构上的氧气保护罩是否能正常工作，以及该系统是否仍可呼吸。”

酶被应用于电极。

制造过程中的一个问题是电极是疏水的，即防水的，而酶是亲水的，即对水友好的。因此，这两个表面倾向于互相排斥。为此，研究人员首先将粘合剂和电子传输层应用于电极表面，然后在第二步中将聚合物基质与酶一起应用于电极表面。“我们专门合成了一种亲水性和疏水性达到最佳平衡的聚合物基质，”阿德里安拉夫解释道。"这是获得具有良好催化剂负载的稳定薄膜的唯一方法."

以这种方式构造的电极仍然可透过气体。测试还表明，聚合物基质也可以用作多孔三维电极的氧气屏蔽。科学家利用这个系统实现了每平方厘米8毫安的电流密度。早期使用聚合物和氢化酶的生物阳极仅达到每平方厘米1毫安。

功能性生物燃料电池

该团队将上述生物阳极与生物阴极结合起来，并表明可以通过这种方式生产功能性燃料电池。它实现了高达3.6毫瓦每平方厘米的功率密度和1.13伏的开路电压，仅低于1.23伏的理论最大值。

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