このトピックの作成に基づいた作業は、私が11年生で実施し、INTEL ISEF国際会議で2位になりました。
燃料電池は、連続的かつ個別に電極に供給される還元剤（燃料）と酸化剤の化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される化学電流源です。
エネルギー。 燃料電池（TE）の概略図を以下に示します。
燃料電池は、アノード、カソード、イオン伝導体、アノード、カソード室から構成されています。 現時点では、バイオ燃料要素の電力は工業規模での使用には十分ではありませんが、低電力のBFCは、電流が処理された燃料の量に比例するため、医療目的の高感度センサーとして使用できます。
これまでに、多数の構造的な燃料電池が提案されてきました。 いずれの場合も、FCの設計は、FCの目的、試薬の種類、およびイオン伝導体に依存します。 生物触媒が使用されるバイオ燃料要素は特別なグループです。 生物系の重要な特徴は、低温でさまざまな燃料を選択的に酸化する能力です。
ほとんどの場合、固定化酵素は生体電気触媒作用に使用されます。 生物から分離され、担体に付着しているが、触媒活性を（部分的または完全に）保持している酵素は、それらを再利用することができます。 たとえば、メディエーターを使用する場合、酵素反応が電極と結合するバイオ燃料要素を考えてみましょう。 グルコースオキシダーゼに基づくバイオ燃料要素のスキーム：
バイオ燃料電池は、緩衝液に浸された金、白金、または炭素の2つの不活性電極で構成されています。 電極はイオン交換膜によって分離されています。アノードコンパートメントは空気でパージされ、カソードコンパートメントは窒素でパージされます。 膜を使用すると、要素の電極コンパートメントで発生する反応を空間的に分離することができ、同時にそれらの間のプロトンの交換が可能になります。 バイオセンサーに適したさまざまなタイプの膜は、英国で多くの企業（VDN、VIROKT）によって生産されています。
20°Cでグルコースオキシダーゼと可溶性メディエーターを含むバイオ燃料電池にグルコースを導入すると、酵素からメディエーターを介してアノードへの電子流束が出現します。 電子は外部回路を通ってカソードに到達します。カソードでは、理想的な条件下では、プロトンと酸素の存在下で水が形成されます。 結果として生じる電流（飽和がない場合）は、律速成分（グルコース）の追加に比例します。 定常電流を測定することにより、低グルコース濃度（0.1 mMまで）でも迅速に（5秒）決定できます。 センサーとして、説明されているバイオ燃料要素には、メディエーターの存在に関連する特定の制限と、酸素カソードと酸素膜の特定の要件があります。 後者は酵素を保持すると同時に、低分子量成分（ガス、メディエーター、基質）を通過させる必要があります。 通常、イオン交換膜はこれらの要件を満たしますが、拡散特性は緩衝液のpHに依存します。 膜を通る成分の拡散は、有害反応による電子移動の効率の低下につながります。
今日、酵素触媒を備えた燃料電池の実験室モデルがありますが、それらの特性は実際の用途の要件を満たしていません。 今後数年間の主な取り組みは、バイオ燃料要素の最終化を目指しており、バイオ燃料要素のさらなる使用は、例えば酸素とグルコースを使用した埋め込み型バイオ燃料要素など、医学とのより大きな関連性があります。
電気触媒で酵素を使用する場合、解決する必要がある主な問題は、酵素反応と電気化学反応を組み合わせるという問題です。つまり、酵素の活性中心から電極への電子の効率的な輸送を確保する問題であり、これは次の方法で達成できます：
1.低分子量キャリア-メディエーター（メディエーター生体電気触媒）を使用した、酵素の活性中心から電極への電子移動。
2.電極上の酵素の活性中心の直接、直接酸化および回復（直接生体電気触媒作用）。
この場合、酵素反応と電気化学反応のメディエーター結合は、次の4つの方法で実行できます。
1）酵素とメディエーターは溶液の体積内にあり、メディエーターは電極の表面に拡散します。
2）酵素は電極の表面にあり、メディエーターは溶液の体積にあります。
3）酵素とメディエーターは電極の表面に固定されています。
4）メディエーターは電極の表面に付着し、酵素は溶液中にあります。
この研究では、酸素還元のカソード反応の触媒はラッカーゼであり、グルコース酸化のアノード反応の触媒はグルコースオキシダーゼ（YEAR）でした。 酵素は複合材料の一部として使用され、その作成はバイオ燃料要素の作成において最も重要な段階の1つであり、同時に分析センサーの機能を実行します。 この場合、バイオコンポジット材料は、基質決定の選択性と感度を確保すると同時に、酵素に近い高い生体電気触媒活性を持つ必要があります。
ラッカーゼは銅を含む酸化還元酵素であり、その主な機能は天然の条件下で有機基質（フェノールとその誘導体）が酸素で酸化され、それが水に還元されることです。 酵素の分子量は40,000 g / molです。
今日まで、ラッカーゼは酸素還元のための最も活性な電極触媒であることが示されています。 その存在下では、平衡酸素ポテンシャルに近いポテンシャルが酸素雰囲気中の電極上に確立され、酸素還元が直接水に進みます。
カソード反応（酸素還元）の触媒として、ラッカーゼ、アセチレンブラックAD-100およびナフィオンをベースとした複合材料が使用されました。 複合体の特徴は、直接電子移動に必要な電子伝導性マトリックスに対する酵素分子の配向を保証する構造です。 複合体におけるラッカーゼの特定の生体電気触媒活性は、酵素触媒で観察されたアプローチに近づきます。 ラッカーゼの場合、酵素反応と電気化学反応を結合する方法、すなわち 基質からラッカーゼ酵素の活性中心を介して電極への電子移動の方法は、直接のバイエレクトロ触媒です。
グルコースココキシダーゼ（GOD）は酸化還元酵素クラスの酵素であり、2つのサブユニットがあり、それぞれに独自の活性中心-（フラビンアデニンジヌクレオチド）FADがあります。 YEARは、電子供与体グルコースに対して選択的な酵素であり、多くの基質を電子受容体として使用できます。 酵素の分子量は180,000 g / molです。
作業では、メディエーターメカニズムによるグルコースの陽極酸化にGODとフェロセン（FC）に基づく複合材料を使用しました。 複合材料には、YEAR、高分散コロイダルグラファイト（VKG）、FC、およびナフィオンが含まれます。これにより、反応ゾーンへの試薬の効率的な輸送と複合材料の安定した特性を確保するために、高度に発達した表面を持つ導電性マトリックスを得ることができました。 酵素反応と電気化学反応を結合する方法、すなわち 酵素とメディエーターが電極表面に固定化されている間、YEARの活性中心からメディエーター電極への効率的な電子輸送を保証します。 フェロセンはメディエーターとして使用されました-電子受容体。 有機基質の酸化中に-グルコース、フェロセンが復元され、電極で酸化されます。
誰もが興味を持っている場合、電極のカバレッジを取得するプロセスを詳細に説明できますが、このためには個人で書く方が良いです。 そして、トピックでは、結果の構造について説明します。
1. AD-100。
2.ラッカーゼ。
3.疎水性多孔質基材。
4.ナフィオン。
電極を受け取った後、実験部に直接行きました。 これが作業セルの外観です。
1. Ag / AgCl参照電極;
2.作用電極;
3.補助電極-PT。
グルコースオキシダーゼの実験では、アルゴンでパージされ、ラッカーゼでは酸素でパージされました。
ラッカーゼの非存在下でのすすの酸素の回収は、ゼロ以下の電位で発生し、2段階で発生します：過酸化水素の中間生成を通して。 図は、pH 4.5の溶液中の酸素雰囲気で得られた、AD-100に固定化されたラッカーゼによる酸素の酸素電気還元の分極曲線を示しています。 これらの条件下では、平衡酸素ポテンシャル（0.76 V）に近い定常ポテンシャルが確立されます。 カソード0.76 Vの電位で、酵素電極で酸素の触媒還元が観察されます。これは、直接生体電気触媒作用により直接水に進行します。 0.55 Vを超える電位領域のカソードでは、酸素還元の制限運動電流に対応する曲線上にプラトーが観察されます。 制限電流の値は約630μA/ cm2でした。
ナフィオン、フェロセン、およびVKHのNODに基づいた複合材料の電気化学的挙動は、サイクリックボルタンメトリー（CVA）によって研究されました。 リン酸緩衝生理食塩水にグルコースが存在しない複合材料の状態は、充電曲線によって監視されました。 （–0.40）Vの電位での充電曲線では、YEARの活性中心の酸化還元変換に関連する最大値が観察され（FAD）、0.20–0.25 Vでは、フェロセンの酸化と還元の最大値が観察されます。
結果から、酸素反応触媒としてのラッカーゼを備えたカソードと、グルコース酸化のためのグルコースオキシダーゼに基づいたアノードに基づいて、バイオ燃料要素を作成する基本的な可能性があることがわかります。 確かに、この方法には多くの障害があります。たとえば、酵素の活性のピークは異なるpHで観察されます。 このため、BFCにイオン交換膜を追加する必要が生じました。この膜を使用すると、要素の電極コンパートメントで発生する反応を空間的に分離でき、同時にプロトン交換が確実に行われます。 空気が陽極室に入ります。
グルコースオキシダーゼとメディエーターを含むバイオ燃料電池にグルコースを導入すると、酵素からメディエーターを介してアノードに電子が流れます。 電子は外部回路を通ってカソードに到達します。カソードでは、理想的な条件下では、プロトンと酸素の存在下で水が形成されます。 結果として生じる電流（飽和がない場合）は、速度を決定する成分であるグルコースの追加に比例します。 定常電流を測定することにより、低グルコース濃度（0.1 mMまで）でも迅速に（5秒）決定できます。
残念ながら、このBTEのアイデアを実際の実装に持ち込むことができませんでした。 11年生の直後、私はプログラマーとして勉強に行きました。それは今日熱心にやっています。 マスターした皆さんに感謝します。