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燃燒吧，廢水！——單酶生物燃料電池

來(lái)源: X-MOL 2017-08-07 13:42:10

水與能源是一對(duì)冤家，無(wú)論是污水處理還是海水脫鹽往往都需要消耗能量，而許多能源設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)又需要水的參與（比如冷卻設(shè)備），同時(shí)獲取干凈水源與清潔能源是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的目標(biāo)之一。來(lái)自澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Vicki Chen教授和侯經(jīng)緯（Jingwei Hou）博士等人近期在Angew. Chem. Int. Ed. 雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，他們成功利用了漆酶（laccase）降解有機(jī)污染物過(guò)程中的酶分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程實(shí)現(xiàn)了持續(xù)的電能輸出，將污水中有機(jī)污染物作為“燃料”，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了污水處理與發(fā)電過(guò)程。論文第一作者為Vicki Chen教授課題組博士生紀(jì)超（Chao Ji）。

事實(shí)上，酶燃料電池并不是一個(gè)新鮮的概念。酶催化的氧化還原反應(yīng)都涉及電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程，因此，將不同的酶分別固定在陰極與陽(yáng)極，兩極分別發(fā)生氧化和還原過(guò)程，將電子轉(zhuǎn)移過(guò)程轉(zhuǎn)化為電能。不過(guò)，大部分的酶燃料電池需要兩種不同的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。本文的作者們發(fā)現(xiàn)，在氧化還原酶的催化過(guò)程中，電子轉(zhuǎn)移過(guò)程在單一酶中完成，也就是說(shuō)，催化過(guò)程中酶自身就像是一個(gè)小的電池，只是缺乏手段將這些分子內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程轉(zhuǎn)化為電流。

受此啟發(fā)，他們選擇了一種常見(jiàn)且高效的氧化還原酶——漆酶作為電極的固定酶，雙酚A（BPA）作為電池燃料，構(gòu)建了僅有一種酶的燃料電池。需要指出的是，漆酶經(jīng)常被用于染料及其他有害物質(zhì)的降解過(guò)程，而B(niǎo)PA也是一種常見(jiàn)的水體污染物。實(shí)現(xiàn)氧化與還原過(guò)程分離的關(guān)鍵在于電池的設(shè)計(jì)。他們用一張質(zhì)子交換膜將電池隔離成兩半，一半通入氧氣（正極液），另一半則通入氮?dú)猓ㄘ?fù)極液），漆酶則被固定在具有高比表面積和導(dǎo)電性的碳納米管后再?gòu)?fù)合到碳?xì)稚希脤?dǎo)線相連。然后，將BPA加入到負(fù)極液中。此時(shí)，BPA在負(fù)極漆酶的T1位點(diǎn)被氧化，電子通過(guò)漆酶?jìng)鬏數(shù)教技{米管，再通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)搅硪贿叺恼龢O，再在正極處漆酶的T2/T3位點(diǎn)參與氧氣的還原反應(yīng)。

這樣的電池效率如何呢？在濃度為0.5 mM的BPA下，電壓的峰值達(dá)到0.12 V，最大能量密度則為160 mW?m-2。同時(shí)，在閉合電路下，酶在12小時(shí)左右即可完成對(duì)98% BPA的降解。

不同條件下的能量效率以及污水處理效率。圖片來(lái)源：Angew. Chem. Int. Ed.

值得一提的是，這樣的設(shè)計(jì)具有普適性，辣根過(guò)氧化物酶、甲酸脫氫酶、葡萄糖氧化酶，均能實(shí)現(xiàn)這樣的單酶燃料電池。

這項(xiàng)研究首次表明，將單一氧化還原酶中的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程提取出來(lái)是有可能的。不僅如此，作者們利用同樣的概念可通過(guò)甲酸脫氫酶將CO2生物轉(zhuǎn)化為甲酸并同時(shí)發(fā)電，即實(shí)現(xiàn)了CO2的固定又能產(chǎn)生能源，這在未來(lái)也具有很大的應(yīng)用前景。

當(dāng)然，這樣的電池能量密度較低，目前只是處于概念階段，但是它們卻為未來(lái)設(shè)計(jì)更為高效環(huán)保的新型生物電池提供了可能的思路。

生命科學(xué)

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