基于碳點和TMB的酶燃料電池光開關的工作原理示意圖

酶生物燃料電池是一種利用氧化還原酶類，可將儲存在糖類中的化學能轉化為電能的電化學裝置。酶生物燃料電池使用對環(huán)境無害的生物燃料和生物催化劑，被認為是一種新型的綠色能源，目前已有酶生物燃料電池為植入型、穿戴型電子設備，以及自供電型生物傳感器供電的報道。但是酶生物燃料電池的產(chǎn)電過程是即時的、不可控制的，除非底物耗盡或者斷開電路，否則產(chǎn)電過程不會停止。這種不可控的產(chǎn)電過程會造成電能的浪費，而且將限制酶生物燃料電池的應用場景，因此，開發(fā)酶生物燃料電池的開關元件并對其產(chǎn)電過程加以控制，對其實際應用具有重要意義。

近日，中國科學院天津工業(yè)生物技術研究所體外合成生物學中心研究員朱之光帶領的團隊成功設計了一種酶生物燃料電池的光開關。這種光開關從陰極控制的策略入手，解決了已報道的酶生物燃料電池的溫度開關、pH開關等存在的調(diào)節(jié)能力弱、調(diào)節(jié)次數(shù)有限、非普適、理論上存在背景電流等問題。該光開關利用碳點對TMB的光氧化特性，使用TMB作為電子受體，從而實現(xiàn)了在有光的條件下可以增大電流和功率，而在無光時幾乎不產(chǎn)生電流。在藍光照射20分鐘后，酶生物燃料電池的開路電壓可以從0.3 V增大到0.5 V，外接1 kΩ電阻時的電路電流可以從2.3 μA增大到9 μA，功率密度可以從2.8 μW cm-2增大到35 μW cm-2。該光開關的調(diào)控效果優(yōu)于目前已報道的酶生物燃料電池的開關，并且在增大集流體面積的條件下能夠進一步得到提高。該研究基于陰極調(diào)控策略實現(xiàn)了利用光信號控制酶生物燃料電池的輸出功率，進一步提高了酶生物燃料電池“智能化”應用的可能。

研究工作獲得國家重點研發(fā)項目、天津市合成生物技術創(chuàng)新能力提升行動、國家自然科學基金等的資助，相關研究成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。