丽莎·泽加，物理
（同organic）有机 (1)完整的生物燃料装置，(2)无配体，(3)经过20分钟的热预处理，以及(4)无燃料时获得的最大功率输出
信用:特里福诺夫等
2019美国化学学会 研究人员开发了第一个全功能生物燃料电池，其生物催化剂(在发电中起关键作用的酶)直接自组装到电极上
在大约5分钟内，添加到生物燃料电池溶液中的酶-纳米粒子混合物选择性地结合到阳极或阴极上，这样就形成了生物燃料电池的关键部件
安德烈亚斯·斯特梅尔、亚历山大·特里福诺夫和冉·泰尔弗德领导的研究人员都在苏黎世联邦理工学院纳米技术组工作，他们在最近一期的《纳米技术》杂志上发表了一篇关于自组装生物燃料电池的论文
“我们已经展示了一种自组装生物燃料电池，这种电池可以按需发电，并且可以通过磁场来开关，”特里福诺夫告诉《物理》杂志
（同organic）有机
该系统还能使电极重复使用多次，只需更换活性元素
" 近年来，自组装方法已经被研究作为制造各种纳米尺度结构的工具，其在燃料电池、电池和其他能量存储和产生装置中具有潜在的应用
在自组装中，最常见的策略之一是使用力场(电场、磁场等)
)使某些区域更有利于纳米粒子，引导它们在这些区域聚集
然而，到目前为止，还没有使用任何一种直接自组装方法来形成全功能的生物燃料电池
这里报道的生物燃料电池是设计用来将葡萄汁等含果糖的液体转化为电能的
为了做到这一点，电池使用酶作为活性元素，从糖中释放电子(通过氧化)到阳极
然后电子通过电线到达阴极，产生电流
在阴极，其他酶利用溶液中的电子(通过还原，氧化的逆过程)和氧气来产生水
生物燃料发展面临的最大挑战之一是将氧化和还原催化酶固定在离电极足够近的地方，以确保糖释放的电子最终进入氧还原过程
固定是必要的，以便氧化和还原过程同时发生，使连续的电流流过导线
如果生物燃料电池的一个隔间(阴极或阳极)工作不正常，整个过程就会停止
这就是自组装过程变得非常有用的地方，因为它迫使两种类型的酶(氧化催化和还原催化)紧密结合到适当的电极(分别是阳极或阴极)
酶首先与碳包覆的磁性纳米粒子杂交，纳米粒子本身附着在两种配体中的一种上，这两种配体是具有特殊化学性质的分子
当将这些酶-纳米粒子混合物置于生物燃料电池中时，配体和电极之间的反应迫使氧化催化酶-纳米粒子结合到阳极，而还原催化酶-纳米粒子结合到阴极
这实现了将酶固定在适当电极上的目标，并允许不间断的氧化和还原过程
研究人员还展示了该设计的另一个潜在有用的特征:拆卸
由于纳米粒子是磁性的，施加的磁场导致酶纳米粒子从电极上分离，终止电流并将纳米粒子释放到电解质中，从电解质中可以去除纳米粒子
然后可以添加一批新的酶纳米粒子，像以前一样，它们会自动组装到电极上
这种用新的生物催化剂更新旧的降解生物催化剂的能力提供了一种给细胞重新提供能量并延长其寿命的方法
与非自组装生物燃料电池相比，当前版本的生物燃料电池的功率输出相对较低，但研究人员预计，通过各种优化技术，性能可以显著提高，他们计划在未来进行研究
其他需要探索的领域包括为不同功能定制具有不同分子的酶纳米粒子，以及改造细胞以使用不同的燃料
该课题的未来计划是扩展现有的各种酶的技术，这将使能量从许多不同的燃料(如葡萄糖、乳酸、酒精等)中获得
)，”特里福诺夫说
“此外，我们的目标是延长这种生物燃料电池的寿命，同时测试自组装过程中相互作用的不同组合，以扩大酶-磁性-纳米粒子混合物覆盖的表面积(该技术的主要问题)，从而提高设备的最终功率输出
"
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