電化學2-4生物電池

1、 生物電池第七節(jié) 生物電池生物電池的定義：生物電池的定義： 生物電池，是利用碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪等為原料，通過酶分解來發(fā)電的一種裝置，即是將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，從原理上來講，生物質(zhì)能能夠直接轉(zhuǎn)化為電能。 主要是因為生物體內(nèi)存在與能量代謝關(guān)系密切的氧化還原反應。這些氧化還原反應彼此影響，互相依存，形成網(wǎng)絡(luò)，進行生物的能量代謝。生物電池的分類：生物電池的分類：單步反應型生物電池（生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)發(fā) 生氧化還原反應制成的生物電池）生生 物物 電電 池池多步反應型生物電池（生物體內(nèi)外的氧化還原物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應制成的生物電池）細胞型生物電池（生物體細胞外的氧化還原物質(zhì)發(fā)生

2、氧化還原反應制成的生物電池）生物電池的分類：生物電池的分類：生物電池的工作原理：生物電池的工作原理：以索尼公司開發(fā)的新型生物電池為例以索尼公司開發(fā)的新型生物電池為例 生物電池包括一個由糖分解酶和介質(zhì)組成的陽極，一個由氧再生酶和介質(zhì)組成的陰極，這兩端由玻璃紙分隔開。 陽極釋放電子，氫離子通過下面的過程通過氧化酶的作用從葡萄糖中分解出來。葡萄糖 葡糖酸內(nèi)酯2H+2e- 氫離子穿過隔離器向陰極移動，一旦抵達陰極氫離子和電子就和氧結(jié)合產(chǎn)生水。 (1/2)O22H+2e- H2O 在這一過程電化學反應當中，電子穿過外部的線路產(chǎn)生電能。 陽陽 極極陰陰 極極糖分解酶糖分解酶介介 質(zhì)質(zhì)介介 質(zhì)質(zhì)氧再生酶氧再

3、生酶玻玻璃璃紙紙葡萄糖葡萄糖葡萄酸內(nèi)酯葡萄酸內(nèi)酯生物電池發(fā)展史：生物電池發(fā)展史： a. 1911年,英國植物學家Potter用酵母和大腸桿菌進行實驗，宣布 利用微生物可以產(chǎn)生電流，生物電池研究由此開始； b. 40多年之后,美國空間科學研究促進了生物電池的發(fā)展，當時研 究的目標是開發(fā)一種用于空間飛行器中、以宇航員生活廢物為原 料的生物燃料電池； c. 從60年代后期到70年代，直接生物電池逐漸成為研究的中心。 熱點之一是開發(fā)可植入人體、作為心臟起搏器或人工心臟等人造 器官電源的生物電池； d. 80年代后，氧化還原介體(Mediator)的廣泛應用 ，相關(guān)的研究大 多集中于陽極； e. 近年，

4、開發(fā)無隔膜的生物電池；生物電池的最新成果：生物電池的最新成果： 2007年8月，Sony公司宣布開發(fā)出一種新型的生物電池，這種電池通過使用生化酶作為催化劑，將碳水化合物（糖）轉(zhuǎn)換為電能輸出。開創(chuàng)了生物電池的新紀元。 50mw/40cc 2009年，在FC expo(國際氫燃料電池展)上，Sony公司演示了喝“可樂”的生物電池，所發(fā)的電力帶動與馬達連接的風扇。70mw/28cc 索尼發(fā)明的這種系統(tǒng)使用了有效的固化酶和相關(guān)介質(zhì)，同時保持了陽極上酶的活性。該公司還開發(fā)出了一種新型陰極結(jié)構(gòu)，可以有效地為電極供應氧，又能夠確保適當?shù)乃?。正是應用了這兩種技術(shù)優(yōu)化的電解液，才實現(xiàn)了高能量的輸出。生物電池的

5、優(yōu)點：生物電池的優(yōu)點： 生物電池為人們所重視，有它的獨特優(yōu)點： a. 原料廣泛，可以利用一般電池所不能利用的多種有 機、無機物質(zhì)作為原料，甚至可利用光合作用或直 接利用污水等。 b. 操作條件溫和，由于酶的催化作用，一般是在常溫、 常壓、接近中性的環(huán)境中工作的。 c. 對環(huán)境友好，不含普通電池所有的酸堿，重金屬等污 染物，不會對環(huán)境造成危害，是典型的綠色電池。 生物電池的應用：生物電池的應用： 航天工業(yè) 電子工業(yè) 化學、化工研究 便攜式移動電源 醫(yī)療應應 用用 領(lǐng)領(lǐng) 域域影響生物燃料電池性能的主要因素：影響生物燃料電池性能的主要因素： a. 燃料氧化速率； b. 電子由催化劑到電極的傳遞速率；

6、 c. 回路的電阻； d. 質(zhì)子通過膜傳遞到陰極的速率以及陰極 上的還原速率； e. 對周邊環(huán)境敏感； 解決辦法：解決辦法： a. 對酶的外殼進行修飾，再將其固定到電極表面 從而實現(xiàn)電子的直接傳遞； b. 直接用導電聚合物固定酶，使導電聚合物深入 到酶的活性中心附近，從而大大縮短電子傳遞 的距離，實現(xiàn)電子的直接傳遞； c. 通過在電極表面進行貴金屬納米粒子、以及碳 納米管等物質(zhì)的修飾，利用納米粒子的尺寸效 應、表面效應等奇妙的特性來實現(xiàn)直接的、快 速的電子傳遞；生物電池的發(fā)展前景生物電池的發(fā)展前景 生物電池的潛在市場是巨大的，因為它原料的廣泛可取性以及能夠提供清潔高效的能量。生物電池技術(shù)的適用性和靈活性將會擴展其潛在的市場，這個市場包括從小型的便攜式動力裝置到中等規(guī)模的工業(yè)用動力裝置。全世界范圍內(nèi)進行的產(chǎn)品研發(fā)活動正努力把可能變?yōu)楝F(xiàn)實。不久的