Водородный топливный электрод на основе ферментов

• Автор: Морозов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.15, 03.00.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 159 с. : ил

ВВЕДЕНИЕ
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
11. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
1.1.1. Принцип действия топливных элементов
1.1.2. История создания топливных элементов
1.1.3. Термодинамика топливных элементов. КПД топливных элементов
1.1.4. Термодинамика водородно-кислородного топливного элемента
1.1.5. Классификация и характеристики водородно-кислородных топливных элементов
1.1.6. Роль катализа в водородно-кислородных топливных элементах
1.3. Биоэлектрокатализ
1.3.1. Методы сопряжения ферментативной и электродной реакций
1.3.2. Сорбция ферментов на проводящие материалы
1.3.3. Применение промоторов для достижения безмедиаторного биоэлектрокатализа
1.3.4. Сорбция и пришивка ферментов к проводящим полимерам
1.3.5. Включение ферментов в проводящие полимеры
1.3.6. Применение медиаторов
1.4. Строение и свойстваГидрогеназ
1.4.1. Классификация гидрогеназ
1.4.2. Строение никелъ-железосодержащих гидрогеназ
1.4.3. Оптические свойства никелъ-железосодержащих гидрогеназ
1.4.4. Окислительно-восстановительные свойства никелъ-железосодержащих гидрогеназ
1.4.5. Кинетика реакций, катализируемых гидрогеназами
1.4.6. Электрохимическое исследование гидрогеназ и процессов, катализируемых ими
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ.ЧАС'Н»
2.1. Материалы
2.2. Оборудование
2.3. Методы
2.3.1 Определение активности гидрогеназы по поглощению водорода
2.3.2■ Определение активности гидрогеназы по выделению водорода
2.3.2.1.Определение активности гидрогеназы с применением масс-спектрометра
2.3.4. Приготовление ферментных электродов
2.3.4.1.Приготовление ферментных электродов непосредственной адсорбцией фермента на графитовые ткани и стержни
2.3.4.2.Приготовление ферментных электродов адсорбцией фермента в присутствии промотора
2.3.4.3.Приготовление ферментных электродов адсорбцией фермента на модифицированные полимерами электроды
2.3.4.4.Приготовление ферментных электродов на основе сажи
2.3.4.5.Приготовление ферментных электродов с иммобилизованными микроорганизмами '
2.3.5. Исследование электрохимической активности ферментных электродов
А 2.3.6. Исследование электрохимической активности ферментных электродов
с контролем состава растворенных газов
2.3.7. Изучение стабильности ферментных электродов при хранении
2.3.8. Исследование влияния окиси углерода и сульфид-иона па электрохимическую активность гидрогеназных электродов
2.3.9. Исследование влияния органических растворителей на активность гидрогеназы и ферментных электродов с иммобилизованной гидрогеназой
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Биоэлектрокатализ гидрогеназами
3.1.1. Безмедиаторный биоэлектрокатализ
3.1.1.2. Биоэлектрокатализ гидрогеназой, адсорбированной непосредственно на углеродный материал
3.1.1.2.1.Графитовые ткани
3.1.1.2.2.Графитовые стержни

3.1.1.2.3.Электороды на основе сажи
3.1.1.2.4.Безмедиаторный биоэлектрокатализ гидрогеназами из разных источников
3.1.2. Биоэлектрокатализ гидрогеназами в присутствии промоторов
3.1.3. Дизайн электродной поверхности для биоэлектрокатализа гидрогеназами
3.1.3.1.Биоэлектрокатализ гидрогеназами, адсорбированными на производные полипиррола
3.1.3.2.Биоэлектрокатализ гидрогеназами из разных источников, адсорбированными на электроды покрытые полимерами на основе пиррола.

3.1.3.3.Электроды покрытые полианилином
3.1.4. Биоэлектрокатализ гидрогеназой, включенной в проводящий полимер или сажевый композитный электрод
3.1.4.1.Влияние инкубации гидрогеназы в водно-органические смеси с
высоким содержанием органического растворителя на активность фермента

3 .1.4.2.Приготовление гидрогеназного электрода включением фермента в
материал электрода
з .2. Кинетика водородного ферментного электрода
3.2.1. Кинетика электрохимического окисления водорода на ферментном электроде с иммобилизованной гидрогеназой
3.2.2. Выделение водорода на гидрогеназных электродах
3.2.3. Влияние температуры на характеристики водородных ферментных электродов
3.3. Технологические характеристики
3.3.1.Влияние окиси углерода и сульфида па характеристики гидрогеназных
электродов
3.3.2.Окисление водорода на водородных ферментных элетродах при повышенных температурах
3.3.3.Стабильность ферментных электродов при хранении
проведено исследование влияния природы фермента на захват при электрополимеризации производных пиррола. Показано, что в полимере прочно удерживается 60-90% ферментов с молекулярной массой от 29 до 200 кДа с изоэлектрическими точками от 4,2 до 12 при проведении сорбции из растворов с pH 7.0. Показано, что активность электродов прямо пропорциональна количеству захваченного фермента. То есть такой метод иммобилизации ферментов достаточно универсален. Для обеспечения эффективного биоэлектрокатализа различными ферментами были разработаны полипирролы, содержащие ферроцен и флавин. Применение таких полимеров позволило создать электроды на основе пиридин-нуклеотид оксидоредуктазы, флавин оксидазы и глкжозооксидазы.
1.3.6. Применение медиаторов
Для многих оксидоредуктаз физиологический донор-акцептор электронов может быть заменен переносящим электроны медиатором. В данном контексте под медиатором понимается низкомолекулярное диффузионно-подвижное редокс активное соединение, переносящее электроны между активным центром фермента и поверхностью рабочего электрода. В каталитическом цикле медиатор сначала реагирует с ферментом, затем диффундирует к поверхности электрода. Стадия электрохимического разряда медиатора должна быть быстрой и обратимой, чтобы не оказаться скорость-определяющей для всего процесса. Приведем для примера окислительно-восстановительный фермент, активирующий молекулярный водород и получивший тривиальное название "гидрогеназа" (КФ 1.12.1.2, 1.12.2.1,
1.18.99.1). Для гидрогеназы из Thiocapsa roseopersicina [63]:
в активном центре:
е+н2^ен2 (29)
ен2 +>ен ■ н (30)
ЕЕГ +Аох <->ЕН° + АгЫ (31)
ЕН° (ЕН°)' (32)
(ЕН°) ’ + Аох <->ЕЕЕ +Ared (33)
EtfE + tf (34)