Recent Advances in Enzymatic Fuel Cells: Experiments and Modeling

Ivanov, Ivan; Vidaković-Koch, Tanja; Sundmacher, Kai

doi:10.3390/en3040803

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酶燃料电池的实验和模型研究进展

通过

伊万·伊万诺夫

¹，

Tanja Vidaković-科赫

^2,*和

凯·桑德马赫

^1,2

¹

德国马格德堡D-39106 Sandtorstrasse 1，Max-Planck-Institute for Dynamics of Complex Technical Systems

²

德国马格德堡第二大学奥托·冯·盖瑞克大学，邮编：D-39106

^*

信件应寄给的作者。

能源 2010，三(4), 803-846;https://doi.org/10.3390/en3040803

收到的意见：2010年1月4日/修订日期：2010年2月23日/接受日期：2010年3月3日/发布日期：2010年4月21日

（本文属于特刊燃料电池)

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版本注释

摘要

:

酶燃料电池将生物燃料的化学能转化为电能。与主要基于金属催化剂的传统燃料电池不同，酶燃料电池使用酶作为催化剂。这种燃料电池类型可以用作现代医学中用于药物管理、治疗疾病和监测身体功能的各种医疗设备的植入式电源。与传统燃料电池相比，燃料电池具有一些优点，包括燃料电池设计简单，主要燃料电池组件成本较低，但由于酶和电极表面之间的电子传递效率低，它们受到了严重的动力学限制。在这篇综述文章中，将通过强调当前存在的问题（电池电压低、电流密度低、稳定性），介绍与酶燃料电池相关的主要研究活动（阳极和阴极开发、系统设计、建模）。

关键词：

生物燃料电池;酶电极;生物电催化;建模

1.简介

酶燃料电池是一种燃料电池，它使用酶（生物催化剂）代替传统的贵金属催化剂。其工作原理与传统燃料电池相同，即燃料在阳极侧被氧化，氧化反应释放的电子通过外部电路被驱动，从而产生电流。最后，电子到达阴极，与氧化剂（通常是氧气）和质子结合形成产品（通常是水）。传统聚合物电解质膜（PEM）燃料电池和酶燃料电池的工作原理和主要部件如所示图1。

图1。传统PEM燃料电池和酶生物燃料电池的示意图。

与传统的贵金属催化剂相比，生物催化剂的使用提供了几个优点。与过渡金属催化剂相比，生物催化剂价格低廉，其广泛使用有望降低生产成本，因为其可用性有限。它们是高效系统，在温和条件下（中性pH值和近体温度）表现出高周转数、选择性和活性。底物特异性减少了反应物的交叉，这在理论上使无膜燃料电池设计成为可能。此外，生物催化剂允许利用更复杂的燃料（因为它们的天然基质在自然界中丰富），而氢气和甲醇作为传统燃料电池的典型燃料的化学性质相对较差。

然而，与过渡金属催化剂相比，生物催化剂有一些缺点。一般来说，氧化还原蛋白往往只在其自然环境中表现出优越的催化性能，换句话说，自然界并没有进化出用于生物电催化应用的酶。这通常表现为难以在蛋白质和电极表面之间建立电通信，以及生物催化剂电极组件的稳定性有限。从化学工程的角度来看，酶的另一个缺点是催化剂的体积密度较低。酶是大分子，因此与传统的金属电极相比，每体积的活性位点数量通常更低。

生物燃料电池研究的进展经常在文献中被回顾。Minteer及其同事在该领域非常活跃，他们总结了最近的趋势和成就，强调了三维结构的使用和常用的表征技术[1，2]. Kannan最近强调了生物燃料电池应用中的酶及其特性等。[三]和阿姆斯特朗[4]. 海勒总结了他们自己的开创性工作[5]和Willner[6，7]. 巴顿的广泛评论等。[8]和布伦等。[9]也值得注意。它们通过讨论生物燃料电池研究的一般方面、基本定义和分类，提供了一个有用的路线图。以往审查的共同特点是，它们不仅涵盖了整个生物燃料电池组件，还涵盖了预期生物燃料电池应用的单个酶电极。我们的目标不是重复以前的审查工作，而是提供最先进的酶生物燃料电池的全面概述。我们的研究范围仅限于使用至少一个酶电极的整个燃料电池系统，重点关注阳极和阴极反应的不同反应物和电极结构，以及酶燃料电池研究中的一些建模方面。不幸的是，由于实验条件的多样性，即在不同的燃油浓度下，不可能直接比较性能特征。我们重点介绍了生物燃料电池开发方面的一些成就，并讨论了该研究领域的最新趋势。

2.生物燃料电池背景下的酶燃料电池

根据传统的定义，酶燃料电池是一种生物燃料电池，它利用分离的酶[8]. 如果生物催化剂位于活细胞内，则生物燃料电池被称为微生物，尽管在最近的一份报告中[10]结果表明，在燃料电池装置中，不仅可以使用细菌，也可以使用人类细胞作为催化剂。使用单一酶（或酶级联）可以在电极表面确定反应路径，并克服微生物生物燃料电池的有限输出性能，这被认为是由于跨细胞膜的传质阻力所致[8]. 另一方面，在长期稳定性和燃料利用（完全氧化）方面，酶仍然无法与微生物竞争。

文献中也有酶电极与传统催化剂电极相结合的例子。如果非生物电极通常具有较高的稳定性，则金属催化剂用于阳极反应[11，12，13，14，15，16，17]更常见的是阴极反应[18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29，30]用于完成电路并在“燃料电池”条件下测试生物电极。一种生物成分（阳极或阴极）的存在通常允许作者将所研究的系统称为生物燃料电池。就在最近，一种包含用于葡萄糖电氧化的硅纳米颗粒和用于过氧化氢还原的微过氧化物酶-11的燃料电池被称为“混合电池”[31].

3.生物燃料电池的未来应用

文献中建议的各种酶生物燃料电池的预期用途大致分为两类：植入式电源和普通电源。一般来说，将这种系统用作可能的发电设备是有争议的，因为最先进的酶燃料电池在功率输出和稳定性方面无法与传统的能量发生器竞争。然而，在电化学动力方面，值得注意的是索尼®于2007年推出的原型生物电池，该电池基于Sakai报告的酶生物燃料电池配置等。[32].

生物催化剂的独特性质表明，生物燃料电池在不寻常的利基应用中得到了应用，最明显的是用于植入式能源[8，9]. 植入式电动设备开发的最新进展提高了对符合其特定要求的新电源的需求。生物医学设备的小型化要求其电源小型化，因为电气设备的尺寸通常由电池的尺寸决定[33]. 理论上，有许多生物医学配件可以利用小型植入式电源，如生物燃料电池，包括心脏起搏器、神经刺激器、听觉和视觉设备、药物泵、葡萄糖传感器、膀胱控制阀、，等. [8，9]. 然而，该领域的先驱者之一亚当·海勒（Adam Heller）表示，生物燃料电池无法与传统的锂基电池竞争，无法作为起搏器（由于使用寿命短）或神经刺激器（由于功率输出有限）的电源[5]. 他提出了在监测身体功能的自主和一次性传感器-发送器系统中的特殊应用[5]或整合药物输送的医疗反馈系统，即。，用于糖尿病监测和控制[34]. 毕竟，尽管进行了大量研究，但最先进的生物燃料电池几乎完全处于概念验证阶段，一旦技术成熟，就可以确定新的潜在应用。

4.酶燃料电池中使用的燃料、氧化剂和生物催化剂

4.1. 燃料

酶促燃料电池中使用的催化剂的性质允许使用多种燃料，包括各种糖和低脂族醇。用于生物电催化氧化的主要燃料和各自的酶列于表1如下所示。

酶生物燃料电池最常见、最直观的燃料是葡萄糖，因为它在自然界中含量丰富，在人类新陈代谢中发挥着重要作用。葡萄糖是一种重要的代谢中间体，也是多种生物的能量来源。它是一种醛己糖碳水化合物，从两种立体异构体中只有右旋（D-葡萄糖）具有生物活性。葡萄糖参与糖酵解代谢途径，在那里被氧化为丙酮酸，丙酮酸进一步进入柠檬酸循环。最终，经过一系列的化学转化和能量释放，葡萄糖被分解成一氧化碳₂和水。其他用作燃料的糖是果糖，它是葡萄糖的结构异构体，还有一些二糖如乳糖和纤维二糖。后两者的应用主要取决于纤维二糖脱氢酶对这些底物的高亲和力。

酶燃料电池中使用的其他燃料是脂肪醇，如甲醇、乙醇和甘油。甲醇已经被确定为传统直接燃料电池中最好的燃料之一，可以用作便携式应用的电源。乙醇作为一种生物燃料受到了更多的关注，它可以通过生物量发酵生产，并且已经在商业上用于内燃机。甘油也是一种很有吸引力的燃料，因为它具有高能量密度、低蒸汽压和与后一种醇相反的低毒性。这三种醇都可以被视为可再生燃料，可以从生物质中生产，它们在酶燃料电池中的利用可以提供新型小型发电机。其他已经使用的燃料是丙酮酸，丙酮酸作为代谢中间体的丰富性和重要性以及氢作为非含碳燃料的重要性直接决定了丙酮酸的使用，而氢被称为传统燃料电池的主要基质。

表1。酶生物燃料电池中使用的燃料和酶。

**表1。**酶生物燃料电池中使用的燃料和酶。
燃料	酶	协因数	半细胞反应	自然受体
葡萄糖	葡萄糖氧化酶，酶代码EC1.1.3.4	时尚	葡萄糖→葡萄糖-1,5-内酯+2H⁺+第二版⁻	O（运行）₂
	葡萄糖脱氢酶，酶代码EC1.1.1.47	北美	参见上文	北美
	葡萄糖脱氢酶，酶代码EC1.1.5.2	PQQ认证	参见上文	醌
	纤维二糖脱氢酶，酶代码EC1.1.99.18	FAD，血红素	参见上文	受体
果糖	果糖脱氢酶，酶代码EC1.1.99.11	FAD，血红素	果糖→5-脱氢果糖+2H⁺+第二版⁻	受体
纤维二糖	纤维二糖脱氢酶，酶代码EC1.1.99.18	FAD，血红素	纤维二糖→纤维二糖-1,5-内酯+2H⁺+2个⁻	受体
乳糖	纤维二糖脱氢酶，酶代码EC1.1.99.18	FAD，血红素	乳糖→4-O-（吡喃半乳糖）-葡萄糖酸-1,5-内酯+2H⁺+第二版⁻	受体
甲醇	乙醇脱氢酶*，酶代码EC1.1.1.1	北美	酒精→醛+2H⁺+第二版⁻	北美
	醛脱氢酶*，酶代码EC1.2.1.5	北美	醛+H₂O→酸+2H⁺+第二版⁻	北美
	甲酸脱氢酶*，酶代码EC1.2.1.2	北美	甲酸盐→CO₂+2小时⁺+第二版⁻	北美
	乙醇脱氢酶，酶代码EC1.1.99.8	PQQ，血红素	酒精→醛+2H⁺+第二版⁻	受体
乙醇	乙醇脱氢酶*，酶代码EC1.1.1.1	北美	参见上文	参见上文
	醛脱氢酶*，酶代码EC1.2.1.5	北美	参见上文	参见上文
	乙醇脱氢酶，酶代码EC1.1.99.8	PQQ，血红素	参见上文	参见上文
甘油	醇脱氢酶*-	PQQ，血红素	酒精→醛+2H⁺+第二版⁻	-
	醛脱氢酶*-	PQQ，血红素	醛+H₂O→酸++2H⁺+第二版⁻	-
	草酸氧化酶*，酶代码EC1.2.3.4	FAD，锰	草酸盐→2CO₂+2小时⁺+第二版⁻	O（运行）₂
丙酮酸盐	丙酮酸脱氢酶*，酶代码EC1.2.4.1	北美	丙酮酸+辅酶A→乙酰辅酶A+2H⁺+第二版⁻	北美
氢	膜结合氢化酶-	-	H（H）₂→ 2小时⁺+第二版⁻	-

*参与燃料完全氧化的酶。

通常报道的阳极系统只使用一种酶，对燃料的部分氧化进行催化。氧化还原过程与一个化学键的断裂有关，这将从阳极反应中获得的电子数限制为两个。在这种情况下，值得注意的是酶级联的使用，它可以更好地利用燃料的化学能，并可用于完全氧化成CO₂电极表面的生物电化学转换级联允许每个单一反应的电子总和，从而增加燃料电池提供的总电流密度。这种酶级联已经在甲醇、乙醇、甘油和丙酮酸的情况下给出，并将在本文中进一步讨论示例。

4.2. 氧化剂

酶生物燃料电池中使用最广泛的氧化剂是氧气，其他化合物的报道也很少。生物电化学还原所用的半细胞反应和酶分别列于表2如下所示。

氧是传统燃料电池中的典型氧化剂，它以纯气体或空气的形式使用。另一方面，分子氧对所有需氧生物的呼吸至关重要，其在人类中的普遍存在决定了其作为氧化剂在潜在的植入式燃料电池系统中的应用。就酶燃料电池而言，通常将其溶解在水电解质中，因此其低水溶性会引发额外的质量传输问题，但也有报道称酶燃料电池使用气相氧。由各自的酶催化的四电子还原为水代表了阴极半电池反应[35，36].

表2。酶生物燃料电池中使用的氧化剂和酶。

**表2。**酶生物燃料电池中使用的氧化剂和酶。
氧化剂	酶	金属/钴	半细胞反应
氧气	漆酶，酶代码EC1.10.3.2	铜	O（运行）₂+4小时⁺+第四版⁻→ 2小时₂O（运行）
	胆红素氧化酶，酶代码EC1.3.3.5	铜	参见上文
	细胞色素氧化酶，酶代码EC1.9.3.1	铜、铁/血红素	参见上文
	细胞色素c-	铁/血红素	-
过氧化氢	微过氧化物酶-11-	铁/血红素	H（H）₂O（运行）₂+2小时⁺+第二版⁻→ 2小时₂O（运行）
	辣根过氧化物酶，酶代码EC1.11.1.7	铁/血红素	参见上文
	（葡萄糖，GOx）微过氧化物酶-8-	铁/血红素	参见上文
过氧化异丙苯	微过氧化物酶-11-	铁/血红素	C类₉H（H）₁₂O（运行）₂+2小时⁺+第二版⁻→ C类₉H（H）₁₂O+H₂O（运行）

其他很少使用的氧化剂是过氧化氢。高活性氧具有很强的氧化性，可能对酶等生物成分有害。这决定了它在两室系统中的使用[37]其中大部分成本是由膜引起的。文献中也有一篇报道，其中过氧化氢异丙苯被用作基于两种不相容溶剂的生物燃料电池中的氧化剂[38].

4.3. 酶

4.3.1. 阳极反应用酶。

葡萄糖氧化酶（EC 1.1.3.4，GOx）是生物传感器和生物燃料电池领域应用最广泛的酶，是葡萄糖氧化的酶。GOx是一种二聚体，由两个相同的亚单位组成，平均总分子量为160 kDa，平均直径为8 nm，等电点约为4.2[39]. 负责GOx催化功能的氧化还原辅因子是黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它含有核黄素部分。GOx催化葡萄糖转化为葡萄糖内酯，葡萄糖内酯会自动水解为葡萄糖酸。GOx的天然电子受体是氧，在自然反应过程中氧被还原为过氧化氢[39]. 如前一节所述，应避免在电极附近生成过氧化氢。此外，在无膜结构中，天然受体氧将与电极竞争释放的电子，从而降低阳极电流密度。

另一种已广泛用于生物燃料电池应用的酶是葡萄糖脱氢酶（酶代码EC1.1.1.47，GDH）。它比GOx有一些优势，因为它的天然电子受体不是氧，但由于它需要一种可溶性的辅因子：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH/NAD），预计在植入式酶生物燃料细胞中的应用有限⁺). Gorton及其合作者最近为生物燃料细胞应用引入的一种有希望的酶是纤维二糖脱氢酶（EC 1.1.99.18，CDH）[18，40]. 其天然底物是纤维二糖，但从子囊菌真菌中分离的CDH也可以氧化其他双糖如乳糖以及包括葡萄糖在内的各种单糖。这种酶是一种含有黄素和血红素结构域的单体。酶生物燃料电池中使用的脱氢酶家族中的其他酶是依赖于PQQ的GDH（酶代码EC1.1.5.2）[41]和果糖脱氢酶（酶代码EC1.1.99.11，FDH）[42，43]分别用于葡萄糖和果糖的氧化。

不同的脱氢酶被用于醇的氧化。这里值得注意的是允许底物完全氧化的酶级联。例如，NAD依赖的乙醇脱氢酶（酶代码EC1.1.1.1，ADH）、醛脱氢酶（EC1.2.1.5）和甲酸脱氢酶（EC 1.2.1.2）序列被用于甲醇氧化为CO₂[30]. 前两种酶被用于乙醇催化氧化为醋酸盐，醋酸盐进一步转化为乙酰辅酶A（乙酰辅酶C oA），并受到柠檬酸循环中的一系列酶的作用[44]. 丙酮酸被丙酮酸脱氢酶（酶代码EC1.2.4.1，PDH）转化为乙酰辅酶A，并与前一种情况一样进入柠檬酸循环[45]. 其他依赖PQQ的脱氢酶已用于乙醇的部分氧化[46]和葡萄糖[41]以及甘油与草酸盐氧化酶一起完全氧化（EC 1.2.3.4，OOx）[47]. 氢氧化是通过使用膜结合氢化酶（MBH）实现的，MBH含有Ni-Fe催化中心，对氧和一氧化碳具有高度耐受性[48].

4.3.2. 用于阴极反应的酶。

用于氧气还原的典型酶是植物和真菌漆酶（酶代码EC1.10.3.2）和胆红素氧化酶（酶代码E.1.3.3.5，BOD）。这些是多铜氧化酶，可以氧化多种底物，并具有四种金属离子，分为三类：T1、T2和T3。已知T1位点结合有机底物，T2/T3簇催化氧向水的四电子还原[35，36]. 漆酶通常在微酸性条件下表现出活性，通常在pH值为5的条件下使用，而BOD在碱性介质中具有活性，这使得其可以在中性pH值下使用。另一种用于氧还原的酶系统是细胞色素氧化酶（EC 1.9.3.1，COx）和细胞色素c，两者都包含血红素作为催化中心[49]. 来自能够过氧化氢还原微过氧化物酶-11（MP-11）的酶[37]和辣根过氧化物酶（酶代码EC1.11.1.7，HRP）[50]已用于生物燃料电池。MP-11是通过细胞色素c的胰蛋白酶消化获得的，由11个氨基酸和一个共价连接的血红素位点组成，代表天然蛋白质的活性位点微环境。MP-11也被用于还原过氧化异丙苯，这在前面已经讨论过了[38]. 另一种微过氧化物酶MP-8被用作阴极酶，催化GOx产生的过氧化氢的还原[51].

5.典型酶电极组件

5.1. 电子转移是决定电极结构的一个因素

在开始讨论酶燃料电池中使用的酶电极的现有示例之前，我们想简要介绍一下实现电子转移的主要途径，因为这在很大程度上决定了电极的配置。如上所述，开发生物燃料电池用酶电极的关键问题是酶与电极之间的有效电气通信。如果一种酶能够将电子传递（呈现或接收）到电极，这个过程被称为直接电子转移（DET）。已知1000多种氧化还原酶中少于100种具有DET特征[52]. 一般来说，倾向于显示DET的酶具有位于蛋白质外围附近的空间暴露氧化还原中继。

然而，在大多数情况下，氧化还原单元被深埋在蛋白质结构中，并与厚的碳水化合物外壳隔离。为了克服电子转移的动力学障碍，一种称为调解人可以引入生物电催化系统。它用于在酶和电极之间穿梭电子，该过程称为介导的电子转移（MET）。舒曼对生物传感器的基本电子传递原理进行了评述，这些原理也适用于酶生物燃料电池等。[53]最近的一篇综述总结了生物燃料电池研究中使用的主要介质类型[1].

调解员往往对实现电气通信非常有帮助，但由于引入了额外的组件，系统的复杂性增加了，这带来了进一步的问题。除了介质的固有特性（稳定性、毒性）外，还必须解决与介质扩散或浸出相关的其他问题。

酶和介质的固定化策略有很多种，包括简单的物理吸附、共价连接、交联和聚合物凝胶中的包封。固定化方法通常是这些方法的组合。通常，单层结构往往被多层或其他三维（3D）结构取代，以增加电流输出。三维结构还可以为酶提供合适的固定化基质，从而延长酶的活性。如果实现了有效的电气通信，可能出现的根本问题是燃料的有限质量运输。与传统的燃料电池电极相比，酶电极表现出更高的复杂性，并且固定化过程通常与复杂的化学有关。以下给出了一些典型的酶电极结构图2。

我们将文献中存在的酶电极分为以下三类：利用纳米结构材料作为固定基质的无电子转移介质的组装(图2A），涉及固定化介质的程序集(图2B）以及介质附着在聚合物主链上的组件(图2C）并根据这种分类给出了本文中进一步的相应示例。

图2。典型酶电极固定程序的示意图。（A）基于无电子传递介质的纳米结构材料的体系结构。（B）基于三维基质中的酶和介质的架构。（C）基于附着在聚合物主干上的介质的架构。

5.2. 无电子转移介质的配置

无电子传递介质的酶电极配置通常是借助于碳纳米结构材料实现的[42，43，54，55]（请参见图2A）或较少通过酶在自组装单分子膜修饰表面上的共价附着[49]. 以这种方式，不同的酶如GOx[54，55]、FDH[42，43]、鼎晖[18]，漆酶[12，15，43，56，57，58]，董事会[35，42，59，60]和MP-8[51]已被固定。

例如，Dong及其同事使用由碳纳米管（CNT）和离子液体（1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐，IL）组成的粘性凝胶作为GOx的固定基质[61]. 在其他论文中，GOx被固定在通过两种不同方法在多孔硅衬底上沉积的羧基化单壁碳纳米管（SWCNT）上[55]或在CNTs-羟基磷灰石复合材料中[54]. SWCNT也用于固定CDH[18].

纳米结构材料也被用作FDH的固定化基质。在其中一种配置中，FDH被吸附在纤维素-MWCNT的基质中，在室温离子液体（RTIL）的帮助下应用，该离子液体用于溶解纤维素[42]. Kano报道了另一种纳米结构固定基质等。FDH吸附在Ketjen Black改性复写纸上[43]. 在一些电极配置中，酶被吸附在石墨上，如来自Dichomera Saubinetii公司[40]，MBH[48]或依赖于PQQ的ADH（EC 1.1.99.8）[51].

与阳极酶的情况类似，涉及碳纳米结构材料的固定程序也应用于阴极酶的情况。BOD在牛血清白蛋白（BSA）和戊二醛（GA）作为交联剂的情况下吸附在SWCNT上[59，62]或在纤维素MWCNT的基质中，如上所述[42]. 也有报道称，通过将BOD固定在Ketjen Black纳米粒子上获得了生物疫苗[43，60]. 与BOD类似，漆酶在碳气凝胶中吸附[43]或不同的基于CNT的矩阵[12，56，57，58]已报告。

吸附MP-8后，还构建了用于过氧化氢还原的生物阴极[51]或HRP[50]在石墨上。值得注意的是阴极酶的共价附着作用，如MP-11在用胱胺单层功能化的金表面上的情况[37，38]或COx和细胞色素c，它们通过马来酰亚胺单层通过位点特异性偶联连接[49].

5.3. 基于扩散和固定介质的配置

5.3.1. 酶燃料电池中使用的典型介质。

不含介体的酶电极构型仍比基于介体的构型多。酶燃料电池中常用的介质可分为两类：自由扩散介质和固定化介质。介质通常是酶特异性的。GOx的典型使用介质及其形式氧化还原电位的概述公开于表3应注意，介质的形式氧化还原电位随条件（pH、可溶性或固定化、，等。)此外，一些氧化还原过程可以与给定的化合物相关联。表中列出的潜在价值基于各自的参考，不应视为绝对值，而应视为基准值。

表3。GOx基葡萄糖氧化的典型介质。

**表3。**GOx基葡萄糖氧化的典型介质。
调解员	氧化还原电位，V	重新计算的氧化还原电位，V与。SHE公司	酸碱度	参考
二茂铁一元羧酸	~0.34_{银/氯化银}	~0.54	7	[58]
第页-苯醌	约0.02_{安全理事会}	~0.26	7	[22]
甲磺酸吩嗪	0.08_{安全理事会}	0.32	6	[63]
吡咯喹啉醌	–0.13_{安全理事会}	0.11	7	[37]
8-羟基喹啉-5-磺酸	0.065_{安全理事会}	0.305	5	[64]
四硫富瓦烯	0.222_{银/氯化银}	0.419	7	[65]

*V（V）与。Ag/AgCl=V与。SHE–0.197；V（V）与。SCE=V与。她–0.24。

当GDH用于葡萄糖氧化时，电极表面NADH的再生通常发生在高过电位下，这就需要像GOx一样使用介质。最常见的调解人显示在表4文中进一步给出了电极结构的细节。

表4。基于GDH的葡萄糖氧化的典型介质。

**表4。**基于GDH的葡萄糖氧化的典型介质。
调解员	氧化还原电位，V	重新计算的氧化还原电位，V与。SHE公司	酸碱度	参考
聚亚甲基蓝	–0.10_{银/氯化银}	0.1	6	[66]
聚（灿烂甲酚蓝）	–0.11_{银/氯化银}	0.09	7	[62]
亚甲基绿*	–0.20/–0.05_{银/氯化银}	0/0.15	6	[56]
梅尔多拉蓝	-	-	-	[67]
尼罗河蓝	–0.35_{银/氯化银}	–0.15	7	[68]
硫堇	-	-	-	[57]

*亚甲基绿有两个氧化还原对。

催化其他有机燃料氧化的酶(表1)也用于基于介质的酶电极配置。中列出了这些系统中通常使用的介质的概述表5在本文中，将进一步讨论各个电极组件。

在氧气还原系统中，最显著的介质示例是2,2'-叠氮-双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）。ABTS是漆酶最广泛使用的介体[17]和董事会[11]. 它的氧化还原电位约为0.49 V与Ag/AgCl（0.69伏与。SHE），pH值为7[65]，接近多铜氧化酶的氧化还原电位。其他被聘用的调解人是Ru（bpy）_三^2+/3+[69]和铁氰化钾[32]用于BOD的电气耦合。

表5。其他燃料氧化的典型介质。

**表5。**其他燃料氧化的典型介质。
燃料	调解员	氧化还原电位，V	重新计算的氧化还原电位，V与。SHE公司	酸碱度	参考
甲醇	苄基紫精	–0.55_{安全理事会}	–0.31	7.5	[30]
甲醇	四甲基-第页-苯二胺	–0.055/0.037_{安全理事会}	0.185/0.277	7/10	[24]
乙醇	尼罗河蓝	–0.35_{银/氯化银}	–0.15	7	[68]
乙醇	聚亚甲基绿	-	-	-	[44]
甘油	聚亚甲基绿	-	-	-	[23]
丙酮酸盐	聚亚甲基绿	-	-	-	[45]

5.3.2. 具有扩散介质的体系结构。

涉及扩散介质的生物燃料电池预计不会作为植入式设备有任何实际应用，此类研究通常针对新型酶固定基质。例如，Dong等。构建了生物燃料电池，将GOx包裹在CNT的壳聚糖悬浮液中[70]或在CNT’s-IL凝胶中[71]并使用二茂铁一羧酸（FMCA）作为介质。可溶性FMCA也用于基于MWCNT与GOx和脂质混合的生物燃料电池[58]或戊二醛功能化壳聚糖[72]. 采用苯醌作为介体，通过碳二亚胺偶联将GOx共价连接到3-甲基噻吩和噻吩-3-乙酸的电聚合共混物上[22]. 类似的方法也用于其他燃料，如在存在可溶性物质的情况下，通过与石墨糊混合的PQQ依赖性ADH氧化甲醇的情况N个，N个，N’号，N个'-四甲基-第页-苯二胺（TMPD）[24]. 扩散介质的使用在微流体生物燃料电池的研究中也很常见，这些研究通常不关注电极性能，而关注质量传输和设计问题，即，一项关于包含可溶性GOx和吩嗪甲磺酸酯的微流体生物燃料电池中氧限制的研究[63].

5.3.3. 具有固定介质的体系结构。

生物燃料电池领域更常见的是固定化介质的应用。文献中报道了多种在电极表面固定酶和介质的策略[20，32，57，59，62，65，67，73，74，75，76]. 在本节中，我们将重点介绍使用三维基质（如聚合物、脂类和CNT）或其组合的程序(图2B）结合酶和介质，因为这些配置更具实际意义。

Tingry及其同事分别使用8-羟基喹啉-5-磺酸（HQS）和ABTS作为葡萄糖氧化和氧气还原的介质[64，73，76]. 介质与GOx和漆酶或BOD一起包埋在碳管电极上，聚吡咯层在各自的阳极和阴极组件上进行电聚合。结果表明，如果酶共价接枝到聚（氨丙基吡咯）膜上，然后与聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDGE）交联，则电极稳定性增加[73]. 在阳极氧化铝模板上生长的聚吡咯纳米线中，HQS和ABTS也与GOx和漆酶共包埋[74].

Bilewicz介绍了另一种有趣的酶固定基质，涉及液晶立方相，类似于膜蛋白的自然环境等。[65]. 将单油酸（1-油酰基rac-甘油）与酶和不同介质（包括四硫富瓦烯（TTF）和ABTS）混合，制备立方相。在电极结构中也使用了相同的介质，以及MWCNT和由聚L-赖氨酸（PLL）和聚4-苯乙烯磺酸钠（PSS）形成的聚离子复合物[75].

我们小组使用TTF和四氰基喹啉二甲烷（TCNQ）形成的电荷转移复合物（CTC）作为葡萄糖氧化阳极，该复合物生长在聚吡咯表面并覆盖有保护性明胶层[77]. 另一种固定GOx的基质由明胶、MWCNT和二茂铁形成[78].

类似的方法也被用于构建以GDH为生物催化剂的介体系统。例如，卡诺及其同事固定了2-甲基-1,4-萘醌（维生素K_三、VK_三)和铁氰化钾分别作为阳极和阴极介质，在聚丙烯酸和PLL形成的聚离子络合物基质中[32]. Mao及其同事报告了几种利用CNT和不同的基于锌染料的介质再生NADH辅因子的固定化策略，包括聚甲基蓝（polymethylene blue，polyMB）[59，66]和聚（灿烂甲酚蓝）[62]在CNT上进行电聚合。基于CNT的葡萄糖基生物燃料电池也与其他基于叠氮的介质（如Meldola blue）一起构建[67]和尼罗河蓝[68].

值得注意的是，Minteer及其同事引入了基于Nafion的固定化基质，其中用季铵盐对聚合物进行改性，为生物催化剂提供了合适的环境，同时保持了其电性能。中和Nafion还与亚甲基绿一起使用，亚甲基绿在碳纸上电聚合以氧化乙醇[29，44，69]和丙酮酸[45].

5.4. 附着在聚合物主干上的介体

如前所述，介质的使用在酶和电极表面之间建立有效的电通讯中起着重要作用，但在许多情况下，介质浸出会影响电极的稳定性。为了克服这个问题，人们采用了一种很有前途的策略，即将介体共价连接到聚合物主链上（参见图2C） ●●●●。酶生物燃料电池中使用的此类介体系统的一些示例概述于表6如下所示。

最著名的例子，最初由Adam Heller介绍，是利用Os基氧化还原水凝胶作为介质和固定基质。海勒及其同事发表了一系列论文，采用GOx作为阳极催化剂和漆酶[79，80，81]或董事会[82，83，84，85]PEGDGE用于阴极反应，PEGDGE则用于交联所得组件。酶的固定化基于静电相互作用，因为各自的水凝胶是聚阳离子的，酶在中性pH下是多阴离子的[80].

聚合物的氧化还原电位通过形成Os络合物的残基的变化来调节，Os络合物通常附着在聚合物上(N个-乙烯基咪唑）（PVI）或聚（4-乙烯基吡啶）（PVP）主链作为阳极，PVI和聚丙烯酰胺（PAA）之间的共聚物作为阴极。

表6。固定在聚合物主干上的介体。

**表6。**固定在聚合物主干上的介体。
燃料/氧化剂	调解员		氧化还原电位，V	重新计算的氧化还原电位，V与。SHE公司	酸碱度	参考
葡萄糖	Os聚合物		–0.19_{银/氯化银}	0.01	5	[80]
			–0.19_{银/氯化银}	0.01	7	[86]
			0.095_{银/氯化银}	0.292	5	[81]
			–0.16_{银/氯化银}	0.04	7	[85]
			–0.11_{银/氯化银}	0.09	5	[87]
	聚（乙烯基二茂铁）		0.30_{银/氯化银}	0.50	7	[25]
	2-甲基-1,4-萘醌（维生素K_三)	PLL上	–0.27_{银/氯化银}	–0.07	7	[20]
	2-甲基-1,4-萘醌（维生素K_三)	PAAm上	–0.25_{银/氯化银}	–0.05	7	[28]
乳糖	Os聚合物		0.15_{银/氯化银}	0.35	-	[88]
氧气	Os聚合物		0.36_{银/氯化银}	0.56	7	[86]
氧气	Os聚合物		0.55_{银/氯化银}	0.75	5	[79]

值得注意的是引入了13个原子长的阳极[80]8原子长的阴极[79]将络合O系在聚合物主链上的柔性垫片。各个电极的性能提高归功于长系链，这不仅使氧化还原中心更好地接近酶，而且促进了相邻氧化还原中心之间的电子转移（参见图3). 到目前为止，基于Os基氧化还原水凝胶概念的生物燃料电池在植入式应用中表现出最佳特性，其他团体也采用了这种程序来固定GOx[87，89]或其他酶[18，90].

其他小组在酶电极的设计中也采用了类似的方法。例如，通过乙烯基二茂铁和丙烯酰胺在炭黑表面的接枝聚合制备葡萄糖氧化阳极，然后GOx被GA吸附和交联[25]. Nishizawa及其同事报告了几种使用VK的生物燃料电池_三-连接到PLL的功能化聚合物[20，60]或聚烯丙胺（PAAm）[28]骨干。聚合物介质与GDH和黄递酶（EC 1.6.99.-，Dp）一起固定在Ketjen Black纳米粒子上，所得阳极在存在可溶性NADH的情况下用于生物燃料电池。

6.生物燃料电池电极上的生物电化学反应动力学

6.1. 阳极反应

如图所示表1可以考虑不同的燃料用于酶促燃料电池中的可能应用。在这种情况下，由于酶燃料电池作为人体植入式电源的预期应用，葡萄糖氧化的研究主要集中在这方面[18，32，80，82，92]. 除葡萄糖外，果糖氧化[42，43]和最近的乳糖[18，88]也进行了研究。在下一节中，对酶燃料电池中有机燃料氧化的动力学研究进行了综述。

6.1.1. 葡萄糖的生物电化学氧化。

酶类型、酶修饰、介质类型、葡萄糖浓度、pH值、氧气存在、缓冲液浓度、活性表面积、稳定性、，等。对葡萄糖的生物电化学氧化进行了研究。葡萄糖氧化由GOx、GDH和CDH催化[18，20，32，92，93]. 根据文献，GDH氧化葡萄糖的机理是MET[32，60]，而在CDH的情况下，MET和DET都是可能的[18]. GOx氧化葡萄糖的机制在科学界仍然存在争议。一些研究声称DET机制，而另一项研究则认为MET是唯一可能的机制，因为通过碳水化合物外壳分离氧化还原活性中心。

几个小组报告了GOx氧化葡萄糖的DET机制[54，55，61，94，95]. Dong及其同事使用CNT’s-IL粘性凝胶作为GOx的固定基质[61]. 阳极在生物燃料电池中进行了测试，观察到的开路电位（o.c.p.）和短路电流归因于GOx的DET，但作者在研究条件下未显示其系统的任何极化曲线。王等。将GOx固定在沉积在硅衬底上的SWCNT上，所得电极用于无隔间和无介质生物燃料电池结构[55]. 在存在4 mM葡萄糖的情况下评估功率输出，观察到的电流再次归因于DET，尽管最近报道的硅纳米颗粒的葡萄糖氧化活性可能会破坏这些发现[31].

CNT的羟基磷灰石复合物也旨在促进GOx的DET[54]. 这一结论是基于对氧化还原峰的观察得出的，该值对应于FAD/FADH的值₂但GOx基阳极与Nafion分离的生物燃料电池相连，阳极室中有二茂铁介质。其他作者也认为CNT促进了DET，但尽管观察到了各自的FAD峰值，但在葡萄糖存在的情况下没有电流反应[95]. 根据他们的说法，这种现象的可能解释是由于GOx与CNT的结合而阻断了葡萄糖进入GOx活性位点[95].

所有声称在GOx情况下使用DET的研究的共同特点是应用碳纳米材料固定酶。DET机制通常由FAD/FADH的出现证明₂氧化还原峰，但这些研究未能显示葡萄糖存在时的氧化电流，这可能是GOx缺乏DET的迹象。根据最近的一项综述，有迹象表明CNT可能诱导蛋白质变性[三]因此，不应排除靠近电极表面存在自由或暴露的FAD。

在介导电子转移机制的情况下，在使用的各种介质中，值得注意的是GOx情况下的Os基氧化还原水凝胶[79，80]和CDH[18]和VK_三就GDH而言[20，32].

酶净化和/或修饰可以提高葡萄糖氧化酶电极的活性。与未纯化的酶相比，纯化的GOx对葡萄糖氧化具有更高的催化活性[92]. 报道了在氩气气氛下，使用Os介质时，纯化GOx的迈克尔斯-曼顿常数为1.9±0.2 mM，商用GOx的麦克尔斯-曼腾常数为2.5±0.4 mM[92]. 未纯化酶的活性较低，这是由于聚阴离子酶和聚阳离子氧化还原聚合物之间的静电键减弱，导致它们离解，使“布线”效率降低。

最近的马诺等。表明GOx的去糖基化产生了一种完全活性的去糖基化酶（dGOx），它能够在没有任何介质的情况下在玻碳电极上氧化葡萄糖（见图4A）[94]. 启动电位-0.490 V与Ag/AgCl（-0.29与。SHE），对应于FAD/FADH的可逆电位₂据报道这对夫妇（参见图4B） ●●●●。他们使用Laviron公式计算了GOx和dGOx的电子转移速率，得到了0.2和1.58秒⁻¹分别是。dGOx氧化葡萄糖的电子转换速率估计为1300s⁻¹而在天然酶的情况下大约为700秒⁻¹[94].

马诺和合著者的另一篇论文[82]研究了不同聚合物中O的负载量对GOx氧化葡萄糖的影响。结果表明，酶活性随着Os负载量的增加而增加，这是由于Os聚合物中的表观电子扩散常数增加所致。

对于在同一溶液中使用燃料和氧化剂的生物燃料电池，阳极反应对氧气的低灵敏度非常重要。这一问题已针对不同的葡萄糖氧化酶进行了实验研究。已经表明，在GOx的情况下，即使存在非常有效的电子转移介质，如Os聚合物，氧的影响仍然显著[92]. 与GOx不同，CDH对氧气几乎不敏感。塔斯卡牌手表等。测定了CDH在氧气和其他两个电子受体存在下的周转数，得到0.09 s⁻¹与16.8秒相比，氧气⁻¹2,6-二氯吲哚酚和19.6s⁻¹对于1,4-苯醌[18]. 如果氧是天然电子受体（如GOx，参见表1)，即使存在非常有效的电子转移介质（如Os聚合物），氧的影响也很难忽略。

许多小组研究了活性表面积增加对酶活性的影响[20，32]. 通常，添加碳纳米材料（Ketjen Black，CNT）会增加电极的活性表面积，有利于酶的活性。酒井等。在Dp和VK存在下GDH氧化葡萄糖的研究_三碳纤维电极修饰玻碳和玻碳的研究[32]. 添加碳纤维后，葡萄糖氧化的催化电流增加，但与表面积相比不是线性增加(例如，20倍的表面积产生5.9倍的电流）。这归因于H的缓慢扩散⁺，其是葡萄糖氧化的产物。H的积累⁺降低催化剂层的pH值，从而改变酶的活性。为了验证这一假设，他们在不同的缓冲液浓度下进行了实验，获得了大约1.0 M的最佳缓冲液浓度，这导致氧化电流的增加与表面积的增加几乎相同（15倍于20倍）[32].

多哥等。还研究了添加Ketjen Black对GDH-VK活性的影响_三葡萄糖氧化介导电极[20]. 在Ketjen Black的存在下，他们获得了10倍的高电流，并且拓宽了浓度依赖性的线性范围(例如在玻碳电极上，线性范围低于5 mM，而Ketjen Black高于10 mM葡萄糖）。添加碳纳米颗粒并没有改变葡萄糖氧化的动力学，葡萄糖氧化的起始电位保持不变，即约为-0.3V与。Ag/AgCl（-0.1伏与。SHE）[20].

酶电极的稳定性通常在干燥条件下或在缓冲液中储存时进行研究。GDH/VK之后_三电极在干燥条件下储存7天，其活性保持在80%左右，而在潮湿条件下储存的电极在同一时间段内活性显著下降。据推测，酶的浸出或电子传递系统在潮湿条件下的破坏可能是原因[20].

6.1.2. 其他燃料的生物电化学氧化。

研究了吸附在碳纳米材料（CNT或Ketjen Black）上的FDH对果糖的氧化作用[42，43]. 开路电位（o.c.p.）为-0.028 V与。Ag/AgCl（0.169伏与。22°C时的SHE）[42]和–0.05 V与。Ag/AgCl（0.147伏与。SHE）[43]在25°C，存在200 mM果糖的条件下。这些值接近FDH的正式氧化还原电位（约为-0.039 V与。Ag/AgCl；0.158伏与。SHE），这被认为是FDH氧化果糖的机制通过血红素位点进行的指示[43]. 与CDH类似，FDH具有血红素和FAD结构域[43]. 观察到的o.c.p.值表明血红素结构域朝向电极表面，而FAD结构域朝向溶液侧。果糖氧化发生在FAD结构域上，该结构域在与血红素结构域的分子内电子转移反应中再生。最后，血红素域与电极表面直接交换电子。与CDH类似，FDH对氧的敏感性很低，因为氧不是其天然电子受体[42].

Stoica研究了CDH对乳糖的氧化作用等。[88]和塔斯卡等。[18]. 如前所述，由于存在血红素和FAD结构域，CDH同时显示DET和MET。DET通常归因于血红素的作用，而MET则归因于FAD的作用。塔斯卡等。最近表明，在存在快速电子转移介质（如Os聚合物）的情况下，MET在热力学上比DET更有利（见图5) [18].

斯托伊卡等。研究了Os聚合物改性和酶负载对CDH乳糖氧化活性的影响[88]. 测试了四种不同类型的氧化还原水凝胶。Os的形式氧化还原电位^2+/3+不同聚合物中的电偶是恒定的（约150 mV与。Ag/AgCl；350毫伏与。SHE）。聚合物在单体组成、Os负载以及聚合物主链和Os络合物之间的间隔链的长度和柔韧性方面存在差异。不同聚合物之间葡萄糖氧化活性的观察差异归因于聚合物主干的不同亲水性和聚合物膜的局部缓冲能力。亲水性更强的聚合物更具活性。CDH与聚合物比率的增加增加了葡萄糖氧化的电流，但在所研究的CDH负载范围内没有出现任何最大值[88].

塔斯卡等。以Os聚合物为介质，研究了CDH对不同燃料的底物特异性[18]. CDH被发现对乳糖、葡萄糖、纤维二糖、麦芽糖、甘露糖、半乳糖和木糖等几种糖的氧化具有活性。氧化反应的起始电位实际上与燃料无关，但电流密度对底物非常敏感，这表明底物敏感的酶动力学[18].

6.2. 阴极反应

氧通常用作酶燃料电池操作的氧化剂，氧还原通常由漆酶或BOD催化。这两种酶都催化氧气还原为水（参见表1). 氧还原的机理可以是DET或MET。由漆酶和Os聚合物组成的生物阴极[79]或ABTS作为调解人[17]表现出优于铂的性能(图6A） ●●●●。扫描电化学显微镜（SECM）实验也证明了基于锇的生物阴极的更好性能，其中作者使用尖端生成-基底收集模式。尖端施加的电流(我_吨)产生氧气，然后在电流下被酶修饰底物还原(我_秒)由施加的电势定义。相应的收集效率(我_秒/我_吨)在BOD阴极的情况下，当过电位为-0.3V，而Pt的情况下为-0.65V时，已达到pH 7.2下氧扩散的定义(图6B）[96].

在MET的情况下，可以通过修饰介体分子来提高氧还原的活性。马诺等。[79]通过引入长链，提高了氧聚合物的氧还原活性，增加了氧聚合物表观电子扩散常数和氧还原效率。表观电子扩散系数增加了两个数量级（7.6±0.3E-7与6.2±0.8E-9厘米²秒⁻¹对于之前使用的聚合物）[79].

在漆酶吸附在碳纳米材料上的情况下，报告了用于氧气还原的DET[43]，碳纳米管上的漆酶[12]碳电极上的漆酶[36]和光谱石墨（SPG）上的BOD[35]. 在DET的情况下，反应机理在很大程度上取决于载体的类型[35]. 漆酶和BOD被吸附在裸SPG或3-巯基丙酸修饰金（MPA-gold）电极上。对于SPG电极上的BOD，可以观察到DET，而对于自组装单分子膜，只能在存在介质的情况下观察到修饰金的催化作用。这些结果表明酶在两个不同电极上的取向不同(图7) [35].

图7。DET从电极到BOD的拟议机制示意图，BOD通过T1位点连接（A），通过T2/T3簇连接（B）。转载自[35]得到爱思唯尔的许可。

通过在高阶热解石墨电极上吸附不同类型的酶来研究DET的氧还原[43]. 在pH值为5时，BOD表现出比从漆树但低于漆酶Trametes公司。（TsLac），建议在果糖-氧气生物燃料电池中使用后者。为了增加电极活性表面积和电流强度，将酶吸附在两种类型的碳（Ketjen黑和碳气凝胶）上。在碳气凝胶上吸附TsLac的情况下，氧还原活性比在Ketjen Black上高（4 mA cm⁻²与1毫安厘米相比⁻²对于Ketjen Black）[43].

通常，氧气生物阴极受到溶液中氧气浓度低的限制(例如缓冲液中为0.229 mM，而空气中为9 mM）。为了克服这个局限，Sakai等。利用碳纤维上吸附的BOD构建吸气阴极，显著增加了氧气还原电流密度[32].

7.燃料电池配置和性能

基于文献研究结果，对一些典型的酶燃料电池配置进行了概述表7如下所示。如上所述，由于实验条件的多样性，很难直接比较这些生物燃料电池的性能。尽管如此，我们还是附上了最大功率密度和相应的燃料浓度，以提供其典型值的方向。

7.1. 以葡萄糖为燃料、GOx为生物催化剂的生物燃料电池

如前所述，已报道了DET和MET电极与GOx的配置。然而，DET配置通常不能为葡萄糖氧化的极化曲线等DET机制提供足够的证据，因此在下一节中不会对其进行评论。MET的配置可以基于被困在不同基质中的介质或附着在聚合物骨架上的介质。

7.1.1. 中介被困在不同的矩阵中。

该组中一些典型的燃料电池配置基于二茂铁作为介质的使用[50，78]，固定在聚吡咯基质中的介质[64，76]，单油酸立方相作为固定化基质[65]或使用电荷转移络合物[97].

Pizzriello报道了二茂铁基燃料电池等。[50]. 过氧化氢作为氧化剂用于Nafion分离生物燃料电池配置。阴极是通过将HRP、二茂铁、石墨颗粒和粘合剂的混合物喷涂在惰性聚酯载体上并与等效的GOx基阳极偶联而形成的。从电池中提取的功率为0.15µW cm⁻²存在1mM燃料和氧化剂。该电池表现出显著的长期稳定性，通过一个复杂的系统进行测试，该系统用于供应新鲜的阳极液和阴极液并使其循环通过电池[50].

表7。酶生物燃料电池的例子。

**表7。**酶生物燃料电池示例。
燃料/氧化剂	酶阳极/阴极	介体阳极/阴极	功率密度，μW cm⁻²	燃油浓度，mM	参考
葡萄糖/O₂	GOx/COx，细胞色素c	PQQ认证/-	5	1	[49]
葡萄糖/O₂	GOx/漆酶	二茂铁/-	15.8	10	[54]
葡萄糖/O₂	GOx/生化需氧量	HQS/ABTS公司	42	10	[76]
葡萄糖/O₂	GOx/漆酶	TTF/ABTS公司	7	15	[65]
葡萄糖/O₂	GOx/漆酶	Os聚合物/Os聚合物	137-350	15	[79-81]
葡萄糖/O₂	GOx/生化需氧量	Os聚合物/Os聚合物	50-480	15	[82-85]
葡萄糖/H₂O（运行）₂	墨西哥湾/MP-11	PQQ认证/-	160	1	[37]
葡萄糖/H₂O（运行）₂	政府/人力资源计划	二茂铁/二茂铁	0.15	1	[50]
葡萄糖/O₂	GDH/漆酶	azine染料/-	58/38.7	45/60	[56，67]
葡萄糖/O₂	GDH/生化需氧量	azine染料/-	52/53.9	40	[59，62]
葡萄糖/O₂	GDH/生化需氧量	VK公司_三/铁氰化物	1450	400	[32]
葡萄糖/O₂	鼎晖/-	Os聚合物/-	157	100	[18]
乳糖/O₂	CDH/漆酶	Os聚合物/Os聚合物	1.9	34	[88]
果糖/O₂	FDH/漆酶	-/-	850	200	[43]
果糖/O₂	FDH/生化需氧量	-/-	126	200	[42]
甲醇/O₂	ADH公司/-	苄基紫精/-	670	100	[30]
乙醇/（H₂O（运行）₂)	$PQQ认证 - ADH公司 / \begin{array}{l} AOx公司 \\ MP公司 - 8 \end{array}$	-/-	1.5	25	[46]
乙醇/O₂	$\begin{array}{l} ADH公司 \\ 阿尔德DH \end{array} / 董事会$	聚亚甲基绿/Ru（bpy）_三	460	1	[69]
甘油/O₂	$\begin{array}{l} PQQ认证 - ADH公司 \\ PQQ认证 - 阿尔德DH \\ OOx公司 \end{array} / -$	聚亚甲基绿/-	1320	100	[47]
丙酮酸/O₂	$\begin{array}{l} PDH公司 \\ ... * \end{array} / -$	聚（亚甲基绿）/-	930	100	[45]

*PDH是由柠檬酸循环中的酶组成的级联中的第一个酶

Tingry及其同事介绍了几种基于聚吡咯中酶和介质固定化的生物燃料电池结构[64，73，76]. 在优化聚吡咯层厚度后，基于GOx/HQS和BOD/ABTS的电极被用于同心电池配置，其最大输出功率为42µW cm⁻²葡萄糖浓度为10 mM时[76]. 还比较了包埋酶电极和共价接枝电极的稳定性[73]. 在共价附着酶的情况下，生物燃料电池的功率输出较低（20µW cm⁻²0.3 V），但间歇使用45天后保持不变。在酶电极包埋的情况下，在酶变性或从更具渗透性的聚吡咯基质中浸出介质的情况下讨论了稳定性的改善[73]. 在聚吡咯纳米线（参见图8A）与薄膜型生物燃料电池相比，所制备的生物燃料电池表现出更高的功率密度（两个数量级）[74]. 这种增加归因于表面积和酶负荷的增加。还测试了纳米线长度的影响，随着纳米线长度从16µm减少到8µm，o.c.p增加（参见图8B）但最大功率密度从280µW cm降至150µW⁻²[74].

以单油蛋白立方相为固定化基质构建了基于GOx和漆酶的无膜细胞[65]. 测试了以ABTS为阴极介质和不同阳极介质的电池性能。当TTF用作阳极介质时，获得了最稳定的电池，o.c.p为0.45 V，最大功率密度为约。7µW厘米⁻²电压约为0.125 V[65]. 在另一份报告中，TTF被固定在聚离子复合物和MWCNT中，纳米管被发现在电流增加和转移到更多负电位方面改善了阳极性能[75]. 在与相同的BOD/ABTS阴极结合后，无膜生物燃料电池的o.c.p.为0.65 V，最大功率密度为150µW cm⁻²在0.35 V电压下，在37°C下存在100 mM葡萄糖[75].

我们小组使用的阳极结构（由基于固定化介质的阳极结构讨论），包括基于TTF和TCNQ的CTC，与传统的基于PEM的铂阴极相耦合，并在不同条件下测试由此产生的流通电池的性能[97].

图8。（A）使用阳极氧化铝（AAO）-Si模板生长的直径为80 nm的聚吡咯-HQS-GOx纳米线的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像。插图显示了横截面视图。（B）使用不同长度纳米线的生物燃料电池的功率密度对电池电压的依赖性。转载自[74]得到爱思唯尔的许可。

7.1.2. 附着在聚合物主干上的介体

在关于现有电极结构的章节中已经谈到了使用连接到聚合物骨架的介质的系统的优点。基于此方法，将二茂铁介导的葡萄糖氧化阳极并入带有铂催化剂的膜电极组件（MEA）型燃料电池中，用于气相氧还原[25]. 在室温流动条件下，在100 mM葡萄糖的存在下测试电池性能，结果表明，用1%Nafion溶液浸渍GOx阳极后，电流和功率输出增加[25].

使用介质聚合物组件的酶生物燃料电池的其他更显著的例子是基于Os氧化还原水凝胶的，这在上文中进行了讨论。使用（PVP-[Os）的生物燃料电池的性能(N个，N个'-二烷基-2,2'-双咪唑）^三]^2+/3+)用于固定GOx和（PAA-PVI-[Os（4,4'-二氯-2,2'-联吡啶）₂氯离子]^+/2+)研究了BOD在不同条件下的固定化[83]. 测试了pH值、温度、氧气或空气中葡萄糖和氯化物浓度的影响(图9). 研究发现，高达0.15M的氯化物浓度对细胞功率没有影响，这是一个积极的结果，因为氯化物阴离子是多铜氧化酶的常见抑制剂，生理液中的典型浓度为0.14M。

基于各自生物燃料电池性能的氧化还原水凝胶的设计进展可以清楚地跟踪。例如，卓越的燃料电池性能（268µW cm⁻²通过在阳极聚合物中引入13个原子长的柔性间隔棒并与漆酶基阴极结合，在15 mM葡萄糖溶液中以0.78V的电压下）[80]. 无膜结构的操作是通过保持电子向氧的转移速率低于向氧化还原聚合物的转移速率来实现的[80]. 这种方法还允许功率密度为480µW cm⁻²0.6 V，pH 7.2，BOD作为阴极生物催化剂[82]. 另一个值得一提的成就是功率密度为350µW cm⁻²0.88 V，pH为5的漆酶，在含有15 mM葡萄糖的停滞溶液中[79]. 由于在阴极聚合物中引入了8原子间隔物，获得了高功率密度，类似于阳极酶中的柔性系链。

Heller及其同事的几乎所有研究都使用长度为2 cm、直径为7µm的碳纤维作为支撑。电极也被植入葡萄中，结果发现功率输出取决于阴极光纤的位置。电池表现出更高的功率密度（240µW cm⁻²0.52 V），如果阴极纤维由于较高的氧气浓度而位于葡萄皮附近，则比位于葡萄中心附近（47µW cm⁻²) [83].

最近，Mano报告称电池功率提高了280µW cm⁻²在pH值为5，存在5 mM葡萄糖的情况下，使用另一来源的GOx(青霉菌属)在0.88 V下连续运行时稳定性高[93]. 此外，由于GOx的商业样品来自黑曲霉含有各种杂质，同一供应商的成分因批次而异，使用纯化GOx时最大功率密度增加了两倍[92].

总之，基于Os基氧化还原水凝胶概念的酶生物燃料电池在植入式应用中表现出迄今为止最好的特性，该方法已被其他小组采用，作为测试MET的标准程序[18，88，90].

7.2. 以葡萄糖为燃料、GDH和CDH为生物催化剂的生物燃料电池

酶生物燃料中用于葡萄糖氧化的其他常见酶是GDH。如上文所示，酶的天然电子受体是NAD，而不是GOx中的氧。当瞄准无膜配置时，由于反应物的交叉减少，这是一个显著的优点，但可溶性共因子的利用排除了诸如可植入装置的此类系统的应用。

例如，毛和他的同事们建造了几个基于氮染料作为NADH辅因子再生介质的生物燃料电池[56，59，62，66]. 生物燃料电池在相当高的葡萄糖浓度（从30到45 mM）下表现出合理的性能。在阴极使用CNT允许的DET，并且当使用碳纤维微电极固定BOD时，质量传输的增强允许阴极电流密度为105µA cm⁻²在环境空气和255µA cm条件下⁻²氧气气氛下0.3 V与。Ag/AgCl（0.5伏与。SHE）[59]. 在同一参考文献中，通过在两个电极上共同固定抗坏血酸氧化酶（酶代码EC1.10.3.3），引入了一种有前途的方法，以消除抗坏血酸酶的干扰。各自的生物燃料电池对缓冲液中的抗坏血酸表现出高度耐受性，并改善了人类血清中的性能。血清中的功率输出仍然低于缓冲液中的功率，这表明存在其他种类的干扰物质[59].

在其他研究中，VK_三用于再生Dp，这是氧化被GDH还原的NADH（见图10) [28]. 所得阳极与聚二甲基硅氧烷涂层铂结合[20，28]或基于BOD的阴极[60]在可溶性NADH的存在下测试了各自的生物燃料电池性能。卡诺及其同事在一项工作中也采用了相同的阴极结构方法，但这次包括NADH在内的所有组分都固定在聚离子基质中[32]. 结合基于BOD的气相阴极和玻璃纸分离器，可以制造出高输出的被动型生物燃料电池。电池产生1.45 mW cm⁻²在0.3 V（o.c.p.0.8 V）的电压下，在0.4 M葡萄糖的存在下，在串联两个燃料电池堆（并联两个生物燃料电池）后，便携电子设备实现了操作[32].

CDH也被用作生物燃料电池中的阳极酶。CDH和SWCNT被包裹在Os聚合物中，得到的阳极与铂阴极一起用于整个燃料电池配置中，显示o.c.p为0.5 V，最大功率密度为157µW cm⁻²在100 mM葡萄糖溶液中[18]. 在另一项研究中，吸附在石墨电极上的CDH与相同的漆酶阴极在无膜和无介质生物燃料电池中结合[40]. 与乳糖和纤维二糖相比，该细胞在葡萄糖存在下的性能较低，并且在混合电解质时稳定性降低，这归因于酶从电极表面解吸。DET的可能性、各种燃料的使用以及与其他电子受体相比对氧的亲和力较低，这些都将CDH定义为酶生物燃料电池应用中GOx的有力替代品。

图10。基于GDH/Dp/VK的生物燃料电池反应方案_三生物节点和铂阴极。转载自[28]得到爱思唯尔的许可。

7.3. 基于葡萄糖以外燃料的生物燃料电池

CDH氧化不同糖的能力已经得到了解决，但它对乳糖的高度亲和力促使了无膜Os聚合物基乳糖-氧生物燃料电池的开发[88]. 含有漆酶作为阴极催化剂的电池的最大功率密度约为1.9µW cm⁻²在0.28 V，7.4 mM乳糖，pH 4.3的条件下，电流密度受到阳极过程的限制，很可能是由于固定化CDH的数量有限。Os介导的生物电催化也允许来自富氏古球虫在以8 mM NADH为燃料的无膜生物燃料电池中使用铂阴极[90].

FDH氧化果糖用于基于DET的生物燃料电池[42，43]. 在一种基于纤维素-MWCNT基质的配置中，电池的最大电流密度为577µA cm⁻²功率密度为126µW cm⁻²使用BOD作为阴极酶，在pH 5和室温下，在200 mM果糖存在下[42]. 通过在Ketjen Black改性炭纸上简单吸附FDH，并与固定在碳气凝胶载体上的漆酶结合，在相同条件下获得了较好的性能。最大功率密度达到850µW cm⁻²在0.41 V下搅拌（参见图11) [43].

还构建了以醇为燃料的酶燃料电池。甲醇完全氧化制CO₂1998年，Palmore已经通过一系列酶和随后的Dp和苄紫精再生NADH进行了研究等。，但参与生物电化学反应的所有成分，包括酶都溶解在阳极液中[30]. 在另一个采用PQQ相关ADH的基于MET的系统中，双室电池产生的功率为0.25 mW cm⁻²0.67 V，1%甲醇和可溶性TMPD作为介质[24]. 使用高锰酸钾阴极可以获得高功率密度和高o.c.p.（1.4V）。

在生物燃料电池的开发中，乙醇得到了更广泛的利用[44，46，51，68，69]. 值得注意的是，从ADH和AldDH开始的多酶级联被用于生物电化学模拟Minteer报告的柠檬酸循环等。[44].

图11。功率密度依赖于25°C下，在存在200 mM果糖的情况下，无（1）和搅拌（2）的单室果糖-氧气生物燃料电池产生的电流密度。参考文献重印[43]经PCCP业主协会许可。

图12。（A）基于乙醇作为生物电化学模拟柠檬酸循环燃料的生物燃料电池的示意图。（B）使用不同数量酶的生物燃料电池的代表性功率曲线。转载自[44]得到爱思唯尔的许可。

ADH和AldDH催化乙醇氧化为乙酸盐，在辅酶A和ATP存在下，乙酸盐被乙酰辅酶A合成酶转化为乙酰辅酶A（酶代码EC6.2.1.1），并进一步进入Kreb循环（见图12A） ●●●●。在与铂阴极结合后，测试了固定化酶的数量对二室生物燃料电池性能的影响。在存在100 mM乙醇的情况下，各电池的最大功率密度为116µW cm⁻²如果是一种酶（ADH），则为1.01 mW cm⁻²当使用所有六种酶时（参见图12B）[44].

Ramanavicius展示了一种非常有趣的生物燃料电池设计方法等。通过引入无膜无介质系统，利用乙醇和葡萄糖[51]. ADH被简单地吸附在石墨阳极上，用于乙醇的氧化，GOx和MP-8被共同固定在阴极上，MP-8催化过氧化氢的还原，过氧化氢是GOx氧化葡萄糖的副产物（参见图13A） ●●●●。不幸的是，没有提供功率输出的数据，但与仅使用葡萄糖、乙醇或过氧化氢的情况相比，在存在10 mM葡萄糖和10 mM乙醇的情况下，电池产生的电压和电流密度最高（参见图13B）[51].

图13。（A）使用乙醇和葡萄糖作为燃料，QH-ADH和MP-8/GOx分别作为催化阳极和阴极的生物燃料电池的示意图。（B）各生物燃料电池在（1）10 mM过氧化氢、（2）10 mM葡萄糖、（3）10 mN乙醇和（4）10 mL乙醇和10 mM葡萄糖存在下的电流-电压行为。转载自[51]得到爱思唯尔的许可。

图13。（A）使用乙醇和葡萄糖作为燃料，QH-ADH和MP-8/GOx分别作为催化阳极和阴极的生物燃料电池的示意图。（B）各生物燃料电池在（1）10 mM过氧化氢、（2）10 mM葡萄糖、（3）10 mN乙醇和（4）10 mL乙醇和10 mM葡萄糖存在下的电流-电压行为。转载自[51]经爱思唯尔公司许可。

Minteer及其同事还证明了多酶系统在甘油氧化中的应用[23，47]. 固定在中和Nafion中的酶级联允许甘油完全氧化为CO₂最大功率密度为0.445 mW cm⁻²存在100 mM基底。使用高比表面积MWCNT作为固定化基质可将功率增加至1.32 mW cm⁻²在相同条件下[47].

基于MET的级联方法也用于丙酮酸完全氧化[45]. 使用五种脱氢酶的系统实现了0.93 mW cm的最大功率密度⁻²存在100 mM丙酮酸。该小组还报道了一种基于固定化线粒体氧化丙酮酸的生物燃料电池，该电池可被视为内部基质中含有溶解酶的细胞隔间[98]. 在相同条件下，基于细胞器的燃料电池的最大功率密度为0.20 mW cm⁻²近5倍的增长归因于分离酶的更高容量催化活性以及与线粒体膜相关的附加阻力和质量传输限制的消除[45].

与传统PEM燃料电池类似，有人尝试使用氢和氧作为燃料和氧化剂的生物燃料电池。有报道称系统涉及基于微生物的[99]以及基于酶的氢氧化[48]. 在后一项研究中，阿姆斯特朗等。雇佣的MBH来自嗜中性拉斯顿氏菌与漆酶阴极结合后构建了无膜生物燃料电池。MBH对氧和CO（氢催化剂的一种常见抑制剂）具有很高的耐受性，电池产生0.97 V的o.c.p.和约7µW cm的功率输出⁻²[48].

7.4. 长期稳定性测试

酶生物燃料电池未来应用的关键是其长期稳定性。研究数量有限，其中涉及长期测试，这里将讨论一些示例。例如，马诺等。测试了基于固定在Os氧化还原水凝胶中的GOx和BOD的酶促燃料电池在0.52V下连续运行一周的稳定性，发现该电池每天损失约6%的初始功率[86]. 在另一份报告中，吴等。研究了基于DET的果糖-空气燃料电池的长期稳定性以及三电极系统中各个生物电极的稳定性[42]. 在0.35 V下连续运行90小时后，电池功率达到其初始值的50%左右。与之前报道的基于DET的生物燃料电池相比，更高的稳定性归因于纤维素-MWCNT基质的亲水性，这为酶提供了生物相容性环境并阻碍了浸出[42].

Pizzriello研究了葡萄糖-过氧化氢生物燃料电池的稳定性等. [50]. 通过提供新鲜阳极液和阴极液的精密泵系统实现了长期测试（30天）。该电池表现出显著的稳定性，以葡萄糖为燃料运行15天后，电压输出仅下降2.32%，以稀玉米糖浆为燃料时，电压输出下降2.5%[50]. 在Kim及其同事的另一项研究中，对葡萄糖-氧气生物燃料电池的长期稳定性进行了测试[27]. 作者发现，连续运行2小时后，功率输出显著下降，但用新的MEA替换旧的MEA后，初始活性几乎完全再生。活性损失归因于缓冲溶液中的阳离子使膜失活，与质子竞争Nafion的阴离子磺酸位，并降低其总质子电导率。在15小时的长期稳定性测试中，与钠和磷酸铵相比，电池在无缓冲溶液中的稳定性得到了改善，这进一步证明了这一结论[27].

8.酶燃料电池的典型设计

酶燃料电池仍处于验证概念的水平，大多数报道的酶燃料电池系统由浸泡在相应缓冲溶液中的酶电极组成。然而，很少有像微流控酶燃料电池这样更复杂的燃料电池设计[60，63，100，101]，同心生物燃料电池[11，76]，带吸气阴极的酶燃料电池[32，102]，使用MEA的设计[27]和模块化堆栈单元[43，103]（请参见图14)将在此处突出显示。

8.1. 微流体系统

酶生物燃料电池作为小型（植入式）动力装置的预期应用与此类系统小型化的挑战性设计问题紧密相关。在这种背景下，与性能改进的新型生物电极的研究同时，也出现了处理微流体生物燃料电池的新兴研究领域。生物燃料电池技术还不成熟，对于功率输出有限和长期稳定性低的问题，没有最终的解决方案。然而，微制造技术的最新进展使得微流体和生物燃料电池系统得以融合，并且已经报道了在微观层面上研究质量传输效应的初步工作。

微流控生物燃料电池的研究通常采用扩散酶和介质，溶解在流经微通道的电解质溶液中。典型的低流速和微米范围的尺寸定义了层流条件，由此导致的对流混合不足允许消除物理膜来分离阳极液和阴极液流。

例如，Tingry及其同事最近报道了一种具有Y形通道的微流体生物燃料电池，该电池基于可溶性GOx和铁氰化钾用于阳极反应，漆酶和ABTS用于阴极反应[100，104]. 研究了流速对电池性能的影响，最大功率密度为110µW cm⁻²在10 mM葡萄糖中，1000µL min⁻¹达到了流量。此外，将维持必要流量的泵送功率与电池的输出功率进行比较，发现在100µL min时，输入功率与输出功率之比从1.5%增加⁻¹最小1000µL时达到76%⁻¹[100]. 通过数值模拟解析了流速剖面，并将获得的有关耗尽区的信息用于电极长度的优化[104]. 帕尔莫尔也使用了基于扩散成分的类似系统等。，他从实验和理论上研究了扩散层厚度、替代设计、电极数量和质量传输限制对电池电流密度的影响（结构见图14A）[63，101]. 其他关于微流控生物燃料细胞在可溶性NADH存在下使用固定化酶和介质的报道[20，60，105].

8.2. 同心生物燃料电池

Tingry及其同事推出了同心生物燃料电池[11，76]. 该结构包括两个碳管电极，置于同一电解液中，阴极管安装在阳极管中。将饱和氧溶液供应至阴极内部，并扩散至其外部，在那里参与生物电化学转换（参见图14B） ●●●●。有希望的分区方法允许溶解氧与电解质分开供应[76].

8.3. 使用MEA的设计

在生物燃料电池设计的背景下，值得注意的是在基于Nafion的MEA中实施酶电极，这得益于传统燃料电池的MEA制备技术已经建立（参见图14C） ●●●●。生物电极与贵金属电极的结合，只要无机催化剂表现出更稳定的行为，就可以专注于生物电极的特性。在整个审查过程中，已经给出了液相操作的几种此类系统的示例(例如Fischback的研究等。在讨论长期稳定性测试的章节中进行了讨论[27]). 然而，文献中有报道称，阳极或阴极的气体操作都有报道。在某些情况下，燃料[16]或氧化剂[25，27，97]以气相形式供应给铂催化剂。

8.4. 吸气阴极

氧在水电解质中的低溶解度已经在讨论阴极动力学的章节中进行了讨论。这种限制促使氧气在气相中的使用。例如，有关于基于MEA的系统的报告，其中已经解决了气体加湿的影响[13，102]. Sakai给出了利用气态氧的优越性能示例等。[32]. 作者构建了一种以玻璃纸为隔板的被动式燃料电池，其电流密度为14.1毫安厘米⁻²极化1min后，在模拟实验中，溶解氧的sink型电池的电流几乎为零[32].

8.5. 模块化堆叠电池

Minteer概述了酶生物燃料电池装置确定几何形状和尺寸的重要性等。[1]. 由于难以比较和解释不同实验室的结果，因此开发了模块化叠层电池，作为酶生物燃料电池的标准化测试平台（参见图14D）[103]. 提出的堆叠电池设计灵活，可用于各种电化学实验。这种方法可以更好地控制实验条件，其他小组也采用了基于GDH/漆酶的燃料电池的类似设计[106]或FDH/漆酶[43].

9.酶生物燃料电池建模

使用建模方法来理解和优化酶燃料电池的行为在文献中并不常见。关于完整燃料电池系统的建模，文献中只有很少的记录[63，107，108，109]. 酶电极的建模研究较多，但主要是从酶生物传感器的角度([110]以及其中的参考文献）。生物传感器的电极与用于燃料电池的酶电极有很大的重叠，但Bartlett的详细审查已经涵盖了这一方面等。[110]. 在这篇综述中，我们将重点介绍那些涉及燃料电池应用酶电极建模的示例。

9.1. 完整的燃料电池建模

在文献中可以找到几种酶燃料电池建模方法，例如经典材料平衡，包括反应动力学和质量传输条件[63，109]，代谢控制分析的应用[107]或统计分析[108]. 不同于普通燃料电池模型[111]酶燃料电池模型主要用于预测不同操作条件下的电流-电位关系或功率曲线例如燃料利用率[109]，氧气质量传输限制[63]或最佳电解液成分[108]在给定条件下不呈现任何极化或功率曲线。

Kjeang提出的模型等。[109]和Bedekar等。[63]是微流控酶燃料电池的数值CFD模型，包括：

（a）质量和动量守恒的Navier-Stokes方程

\begin{array}{l} \nabla \vec{u个} = 0 \\ ρ \frac{\partial \vec{u个}}{\partial 吨} = ρ \vec{克} - \nabla 第页 + μ \nabla^{2} \vec{u个} \end{array}

（b）溶质组分质量守恒方程

\begin{array}{l} \frac{\partial {c（c）}_{我}}{\partial 吨} = - (\nabla {\vec{J型}}_{我}) \\ {\vec{J型}}_{我} = {D类}_{我} \nabla {c（c）}_{我} - \vec{u个 {c（c）}_{我}} \end{array}

（c）以及电流方程

j个 = - n个 F类 D类 {\frac{d日 {c（c）}_{M（M） 对 e（电子） d日}}{d日 x个} |}_{x个 = 0}

在Kjeang的理论著作中等。[109]证明了酶燃料电池的概念，没有提出实验系统。他们试图优化微流控酶燃料电池的结构，包括三步催化甲醇氧化。测试了不同的酶模式策略，例如，酶沿电极表面空间分布或均匀混合。该模型预测了低流量下的高燃料利用率即在扩散为主的混合质量传递条件下。根据该模型，所研究的理论概念是反应限制的，这意味着可以通过提高酶周转数来提高系统性能。还计算出，与燃料电池的预测功率相比，燃料泵送所需的功率可以忽略不计[109].

溶解氧在酶燃料电池中的使用是这些系统的主要限制之一，因为氧的浓度低，扩散系数低，这在前面已经讨论过。贝代卡等。研究氧传质限制对微流控酶燃料电池性能的影响[63]. 沿微通道长度方向，观察到阴极氧的可用性呈指数衰减。氧气流速的增加会降低氧气传质阻力，但阳极液和阴极液流速的差异会导致溶解氧的浪费[63].

Glykys提出了一种有趣的酶燃料电池建模方法等。[107]. 在理论研究中，他们研究了基于Os介导的葡萄糖氧化酶阳极和漆酶阴极的酶燃料电池。他们改变了溶液中的氧浓度，并得出结论，只要总介质浓度较高，它不会影响GOx动力学。另一个观察结果是，在给定条件下，燃料电池的性能将由阳极控制[107].

9.2. 酶电极的建模

文献中酶电极的数学模型通常考虑酶反应和酶反应中物种的物质平衡。一般来说，酶促半细胞反应可表示如下：

S公司 \overset{e（电子） n个 z（z） 年 米 e（电子）}{\to} P（P） + n个 {H（H）}^{+} + n个 {e（电子）}^{-}

(1)

这种反应的机制取决于酶和电极之间的电子传递机制的类型。如前几节所述，可以假设DET或MET机制。在DET的情况下，反应（1）的机理如下所示[110]:

{E类}_{o个 x个} + S公司 \overset{{K（K）}_{E类 S公司}}{\leftrightarrow} E类 S公司 \overset{{k个}_{c（c） 一 吨}}{\to} {E类}_{对 e（电子） d日} + P（P）

(2)

{E类}_{对 e（电子） d日} \to {E类}_{o个 x个} + n个 {H（H）}^{+} + n个 {e（电子）}^{-}

（3）

对于MET，如[110，112，113，114]:

{E类}_{o个 x个} + S公司 \overset{{K（K）}_{E类 S公司}}{\leftrightarrow} E类 S公司 \overset{{k个}_{c（c） 一 吨}}{\to} {E类}_{对 e（电子） d日} + P（P）

(4)

{E类}_{对 e（电子） d日} + {M（M）}_{o个 x个} \overset{{K（K）}_{E类 M（M）}}{\leftrightarrow} E类 M（M） \overset{{k个}_{米}}{\to} {E类}_{o个 x个} + {M（M）}_{对 e（电子） d日}

(5)

{M（M）}_{对 e（电子） d日} \to {M（M）}_{o个 x个} + n个 {H（H）}^{+} + n个 {e（电子）}^{-}

(6)

哪里E类_公牛，E类_红色，锿，M（M）_公牛，M（M）_红色和相对长度单位是酶的氧化和还原形式、酶-底物复合物、介体分子和酶-介体复合物的氧化和减少形式，而S公司和P（P）分别是底物（反应物）和酶反应的产物。

DET机制（方程式2–3）具有纯Michaelis-Menten动力学形式，而MET机制是所谓的双底物乒乓机制的示例（方程式4–6）。首先，酶与一种底物反应(S公司)，将酶转化为还原形式(E类_红色). 之后的后续步骤中E类_红色与介体分子反应并恢复其原始状态(E类_公牛).

对于反应中发生的物种质量平衡的描述（方程式2-6），了解电极配置很重要。文献中有许多可能的酶电极配置（如前几节所述），例如介质和酶是自由扩散的，酶是固定的，介质可以扩散，酶和介质都是固定的或酶直接氧化在电极表面。对于生物燃料电池应用，有趣的电极配置是酶固定在电极表面的配置。在这些配置中，酶可以直接在电极表面氧化，也可以通过固定或自由扩散介质氧化。到目前为止，在文献中我们还没有发现任何关于DET建模的报告。原因可能是只有少数酶表现出DET，而大多数实际系统是基于MET的。因此，本综述将集中于MET系统的建模。

在酶电极的情况下，人们处理的是一个异质过程，这意味着在反应（2）到（6）中发生的物种浓度是时间和空间的函数。一般来说，对于能够在催化剂层内外自由扩散的物种(例如（底物或自由扩散介质分子）浓度随时间的变化如下：

\frac{\partial c（c）}{\partial 吨} = D类 \frac{\partial^{2} c（c） (x个 ， 吨)}{\partial {x个}^{2}} + {u个}_{x个} \frac{\partial c（c） (x个 ， 吨)}{\partial x个} - υ_{e（电子） n个 z（z）}

(7)

哪里D类是自由扩散物种的扩散系数，u个_x个是对流的速度υ_恩茨是酶反应的速率。方程（7）可以通过假设溶液整体中的理想混合来简化，忽略了催化剂层中平流的影响即。，

{u个}_{x个} \frac{\partial c（c） (x个 ， 吨)}{\partial x个} \approx 0

并通过假设稳态条件(

\frac{\partial c（c）}{\partial 吨} = 0

):

D类 \frac{\partial^{2} c（c） (x个 ， 吨)}{\partial {x个}^{2}} = υ_{e（电子） n个 z（z）}

(8)

如果介体分子不是自由扩散的，而是固定在表面上的(例如、Os基聚合物、[114])它的物质平衡也可以用方程式8来描述，但在这种情况下，扩散系数D类对应于电荷通过矩阵的扩散，而不是介质的物理扩散[115].

υ_恩茨，酶反应的速率可以表示为：

υ_{e（电子） n个 z（z）} = \frac{{k个}_{o个 v（v） e（电子） 对} {c（c）}_{e（电子） n个 z（z）_吨 o个 吨}}{1 + \frac{{K（K）}_{E类 S公司}}{{c（c）}_{S公司} (x个 ， 吨)} + \frac{{K（K）}_{E类 M（M）}}{{c（c）}_{M（M） o个 x个} (x个 ， 吨)}}

(9)

哪里c（c）_{enz_tot（英文）}是总酶浓度，包括酶和酶底物复合物的氧化和还原形式，k个_结束总速率恒定K（K）_锿和K（K）_{相对长度单位}分别是反应（2）和（5）的常数。总速率常数k个_结束定义如下[114]:

{k个}_{o个 v（v） e（电子） 对} = \frac{{k个}_{c（c） 一 吨} {k个}_{米}}{{k个}_{c（c） 一 吨} + {k个}_{米}}

（10）

电流密度j个与介质在电极上反应的通量有关[110，113，114，116]:

j个 = - n个 F类 D类 {\frac{d日 {c（c）}_{M（M） 对 e（电子） d日}}{d日 x个} |}_{x个 = 0}

哪里F类代表法拉第常数。

如前所述，在自由扩散介质的情况下，D类是催化剂层中扩散的扩散系数，而在固定化介质的情况下D类对应于电荷通过例如聚合物基质。

迄今为止文献中发表的酶电极模型已用于测定动力学参数。例如，Galaway等。用一维数值模型获取动力学信息(k个_结束，K（K）_锿，K（K）_{相对长度单位})根据O的循环伏安实验₂不同Os氧化还原水凝胶修饰漆酶电极的还原[114]. 他们发现漆酶与氧气反应的速率常数略低于游离溶液中的速率常数。研究还发现，介体与漆酶反应的速率常数在介体电位范围内与介体电位呈线性关系约。0.5和0.8伏之间的电位范围内约。0.1至0.5 V，与介体电位无关。

在他们的理论论文中，Tamaki等。[113]在GDH和氧化还原聚合物存在下，模拟葡萄糖在高比表面积炭黑电极上的氧化。他们假设催化剂层的厚度不同，通过改变电荷通过氧化还原聚合物的扩散系数，他们得出聚合物中的表观电子扩散不是整个电极动力学的速率决定步骤。根据他们的研究，电流密度高达0.1 A cm⁻²在氧化还原聚合物存在下使用高比表面积炭黑电极，可以通过增加催化剂层中酶的负载量和酶的周转率来获得[113].

10.酶燃料电池优化

有限的功率输出和连续运行下的长期稳定性不足，表明酶生物燃料电池需要进一步优化。性能的提高需要优化所有燃料电池组件，如生物催化剂、介质、酶电极组件和燃料电池设计。这些问题中的大多数已经在上文中讨论过了。其中一个很少涉及的方面是生物催化剂的改进。如前所述，酶电极的性能在很大程度上取决于所用生物催化剂的性能。结果表明，通过纯化可以提高燃料电池用酶的性能[92]或脱糖化[94]在GOx的情况下。另一个强大的策略是酶工程，它可以使生物催化剂的特性得到更大的改变，并从理论上微调以适应目标应用。

Schwaneberg在一篇综述中概述了蛋白质工程中使用的两种通用方法等。[117]. 当有关于蛋白质结构-活性关系的信息或假设时，可以使用理性设计，并且可以使用定点突变来验证这些假设。例如MP-11，它代表细胞色素c的活性位点和周围的微环境，如前所述[37]. 当没有关于结构和相关活性的信息时，应该使用定向进化，在这种情况下，通过筛选不同的突变体来确定潜在的候选基因[117]. 这方面的例子是同一组的一项研究，其中一个GOx突变体对葡萄糖的亲和力增加(K（K）_米=20.7毫米与野生型为18.7 mM）并减少耗氧量(K（K）_米=474.2微米与野生型为700.8µM）[118].

文献中还有其他几项研究，其中蛋白质工程已被应用于生物燃料电池。例如，通过引入多组氨酸或半胱氨酸残基改变乳酸脱氢酶的表面电荷和亲核性，以改善其在导电聚合物中的固定化[119]. 在另一个例子中，吡喃糖2-氧化酶（酶代码EC1.1.3.10）进行了半理性设计，并鉴定出对葡萄糖具有改进动力学的突变体和不同的介质[120].

另一种广泛应用于蛋白质工程的酶是依赖PQQ的GDH。该蛋白对葡萄糖的活性高于GOx，它不需要作为NADH的可溶性辅因子，也不涉及作为电子受体的氧，但较低的稳定性和底物特异性激发了对其特性进行遗传调节的努力，Sode及其同事在一份小型综述中概述了这一点[121]. 作者报道了生物燃料电池装置，使用了改进稳定性的工程PQQ-GDH[122]以及一个突变株，能够从细胞色素c结构域与PQQ-GDH融合中获得DET（喹脑蛋白-葡萄糖脱氢酶，QH-GDH）（参见图15) [21].

图15。通过将喹大蛋白乙醇脱氢酶（QH-EDH）的细胞色素c结构域融合到PQQ依赖性葡萄糖脱氢酶（PQQGDH）的c末端，构建工程酶（QH-GDH）。转载自[121]得到爱思唯尔的许可。

同一组克隆了一种新型的耐热GDH，它由三个亚基组成（含FAD、含血红素c和一个伴侣样亚基）。该蛋白质显示DET，并在生物燃料电池中评估了亚基和GDH复合物的性能[123]和燃料电池型生物传感器[26].

蛋白质工程方法已应用于氧气还原蛋白，如BOD，其中DET是通过T1结构域中谷氨酰胺取代甲硫氨酸的定点突变实现的[124].

11.总结

在这篇综述中，我们总结了酶燃料电池实验和建模的最新进展。这种系统中使用的典型燃料是葡萄糖，典型的氧化剂是氧气。除了葡萄糖外，其他糖和低脂肪醇也被用作生物燃料电池的燃料。葡萄糖氧化最常用的酶是GOx和GDH。最近，一种新的酶，CDH，作为一种有希望的替代品被引入。与GOx相比，CDH得益于广泛的底物，DET的低氧敏感性和能力，与GDH不同，它不需要可溶性的辅因子。阴极反应中应用最广泛的酶是多铜氧化酶，如漆酶和BOD，它们都能显示DET。

关于电极组件，有多种结构，但在三维矩阵和纳米结构材料的方向上可以看到明显的趋势。在这方面，我们想强调基于CNT的架构，它可以在没有介质的情况下使用，以及基于Os聚合物的架构，用于阳极和阴极反应。通常，在生物燃料电池中使用了许多酶和介质的组合，但各自的研究通常涉及单酶系统，其仅能够部分氧化燃料。通过引入酶级联可以实现完全氧化，从而提高燃料利用率。

研究表明，生物电化学反应的动力学取决于各种因素，如酶和介质的类型、活性表面积、pH值、底物的类型和浓度、电解质的组成、，等在基于MET的系统中，整体电极动力学主要取决于介体动力学，因此可以通过选择合适的介体来获得电压方面的主要改善。就电流改善而言，标准方法包括增加活性表面积，通常通过使用纳米结构材料来实现。

典型的酶燃料电池的功率在微瓦特范围内，长期稳定性较低。生物燃料电池测试通常在完全不同的条件下进行（浓度、温度、pH值、质量传输条件、，等。)，这会使不同配置之间的比较复杂化或受到阻碍。很明显，为了简单的表征，需要一些标准化，逻辑方法是采用传统燃料电池研究的方法。关于电化学实验，我们想强调稳态测量的重要性。一旦对生物燃料电池在稳态条件下的性能进行了明确的表征，就可以进行模拟实际应用的动态实验。给定系统的稳态定义应是其固有特性和固有不稳定性之间的折衷，主要与所用生物催化剂的性质有关。

酶燃料电池未来应用的关键是其长期稳定性。然而，文献中的此类测试往往被忽视或以不适当的方式进行。将分批容器用作传统的电化学电池或烧杯会引起基质耗尽和产物积累的问题。流动系统为生物燃料电池的长期稳定性研究提供了可能的解决方案。总的来说，生物燃料电池的设计取得了进展，尽管大多数报告的配置都基于简单的间歇式系统，重点是生物电极界面的化学和过程。微流体或其他流通装置的构造，以及空气吸入细胞或设计不寻常的细胞的氧气供应管理，都引入了更复杂的设计。

关于酶燃料电池建模的研究很少，对所提出模型的实验验证更是少之又少。为了理解和进一步优化生物燃料电池的性能，未来需要在这方面做出更多努力。酶生物燃料电池为某些特定应用提供了传统燃料电池和电池的替代品，生物燃料电池组件的进一步优化需要来自不同学科的团队的共同努力。

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芝加哥/图拉宾风格

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