用于酶燃料电池的混合超小金纳米簇

2019-01-12 10:19:34
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随着化石燃料资源日益减少,更好的生物燃料电池设计成为能源领域的有力候选者。在美国化学学会杂志上发表的研究中,洛斯阿拉莫斯的研究人员和外部合作者合成并描述了一种新的DNA模板金纳米团簇(AuNC),它可以解决高效生物燃料电池设计的关键方法障碍。

“酶促燃料电池和纳米材料显示出巨大潜力,因为它们可以在环境友好的中性pH条件下运行,它们是现有碱性或酸性燃料电池的绿色替代品,使其成为全球研究工作的主题,”科学家Saumen Chakraborty说。在项目上。“我们的工作旨在提高电子传递效率,为酶燃料电池中阴极的开发创造潜在的候选者。”

配体,与中心金属原子结合的分子,是形成稳定的纳米团簇所必需的。在这项研究中,研究人员选择单链DNA作为配体,因为DNA是一种天然纳米级材料,对金属阳离子具有高亲和力,可用于将簇组装成其他纳米级材料,如碳纳米管。

在酶促燃料电池中,燃料在阳极上被氧化,而氧还原反应在阴极上发生,通常使用多铜氧化酶。酶促燃料电池性能关键取决于酶活性位点如何通过直接电子转移(ET)有效接受和从电极提供电子。然而,酶活性位点之间缺乏有效的ET,它们通常从其表面埋藏~10Å,而电极是它们发展的主要障碍。因此,需要这种电子转移的有效介质。

该团队开发了一种新的DNA模板化金纳米簇(AuNC),可增强电子转移。AuNC作为酶 - 电极界面处的电子转移增强剂的这种新作用可以对酶促燃料电池中的阴极有效,因此消除了用于有效生物燃料电池设计的关键方法障碍。

由于其离散的电子态分布,金属纳米团簇(直径<1.5nm;金,银,铂或铜的~2-144原子)具有许多独特的性质,在许多领域都有应用。

假设由于超小尺寸(簇为~7个原子,直径约0.9nm)和独特的电化学性质,AuNC可以促进电子转移到氧还原反应酶活性位点,因此降低氧反应的过电位。过电位是驱动电化学反应所需的额外能量。

理想情况下,希望所有电化学反应都具有极小到无过电位,但实际上它们都有一些。因此,为了设计有效的电催化剂(用于还原或氧化),我们希望设计它以使反应能够以最小量的额外施加的能量进行。

当与胆红素氧化酶和碳纳米管自组装时​​,AuNC起到增强电子转移的作用,并且它将氧还原的过电位降低了大约15 mV(与使用其他类型的介质观察到的~1-2 mV相比)单独使用酶。AuNC还导致电催化电流密度的显着增强。蛋白质是电子绝缘的(它们复杂,油腻且大),因此碳纳米管的使用有助于酶粘附到电极上以及促进电子转移。

尽管金纳米团簇已经用于化学催化,但这是我们第一次证明它们还可以作为电子中毒剂,通过电化学监测酶促氧还原反应。

最后,AuNC的存在不会扰乱酶促O 2还原的机制。通过改进O 2还原的热力学和动力学,AuNC作为ET的促进剂的这种独特应用是前所未有的。

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