Электрокаталитические процессы на электродах биотопливных элементов

• Автор: Капустин, Александр Викторович
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

1.1. Биотопливные элементы и их классификация

1.2. Катодные композитные материалы на основе ферментов

Лакказы

Билирубиноксидаза

Пероксидазы
Биомиметики

1.3. Анодные композитные материалы на основе ферментов

Глюкозооксидаза

Дегидрогеназы

Гидрогеназы

1.4. Биотопливные элементы, описанные в литературе

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1. Методы электрохимических измерений
2.1.1. Методы потенциодинамических импульсов
2.1.2. Хроноамперометрический метод 3
2.2. Электрохим ические я чейки 3
2.3. Электроды и электродные материалы
2.4. Методы приготовления композитных материалов на основе ферментов и металлических неплатиновых катализаторов
2.4.1. Приготовление композитных материалов на основе ферментов и дисперсных углеродных материалов
2.4.2. Синтез неплатиновых металлических катализаторов
2.5. Спектрофотометрические измерения
2.6. Метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии
2.7. Метод рентгеновского фазового анализа
2.8. Реагенты и рабочие растворы
ГЛАВА 3. НА1ЮКОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ЛАККАЗЫ ДЛЯ КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОДА
3.1. Кинетические параметры реакции восстановления кислорода лакказой, иммобилизованной на разных дисперсных углеродных материалах
3.2. Влияние количества активной массы на электроде на электрохимическую активность лакказы в составе композита ферментдисперсный углеродный материал
3.3. Расчет омических и диффузионных ограничений
3.4. Перколяционные эффекты в активном слое лакказа
дисперсный углеродный материал
3.5. Влияние спирта на биоэлектрохимическую активность лакказы
ГЛАВА 4. АНОДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ФЕРМЕНТОВ
4.1. Влияние природы дисперсного углеродного материала на биоэлекпгрохимическую активность гидрогеназы в реакции окисления водорода
4.2. Медиаторное биоэлектрокаталитическое окисление глюкозы на композитеу включающем глюкозооксидазу
4.1.1. Электрохимические свойства композитных материалов на основе ГОД, Фц и ФАД
4.1.2. Кинетические параметры окисления глюкозы на композите, содержащем ГОД и медиатор
4.3. Ферментная система для электрохимического окисления этанола
ГЛАВА 5. БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ НЕПЛАТИНОВЫЙ КАТАЛИЗАТОР
В РЕАКЦИИ ОКИСЛЕНИЯ ПРОСТЫХ СПИРТОВ
5.1. Электрокаталитические свойства НиУС катализаторов в условиях оптимальных для ферментов
5.1.1. Исследование влияния состава электролита на
электрокаталитическую активность катализатора
5.1.2. Исследование влияния соотношения Я и и Л7 в составе катализатора на электрокаталитические параметры
5.2. Физикохимические характеристики ЯиИС катализаторов
ГЛАВА 6. БИОТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
6.1. Водородокиаюродный биотопливный элемент
6.2. Спиртовокислородный биотопливный элемент
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Результаты изучения электрокаталитических свойств композитных материалов на основе лакказы и дисперсных углеродных носителей в реакции восстановления кислорода показали, что соотношение размеров глобулы фермента и частиц дисперсного углеродного материала является важным параметром, определяющим эффективность обмена электронами между электродом и активным центром лакказы прямой биоэлектрокатализ. Проведена оценка влияния на скорость процесса восстановления кислорода иммобилизованной лакказой омических, диффузионных и перколяционных ограничений. Впервые установлена необходимость учета эффективности электронного переноса между углеродными частицами перколяции в пористой системе ферментдисперсный углеродный носитель. КС печная масляная сажа ПМ высокодисперсный коллоидный графит ВКГ. Показано, что реакции выделения и ионизации водорода в присутствии фермента обратимы. Разработан композитный материал на основе фермента глюкозооксидазы ГОД, медиатора ферроценовой природы Фц, нафиона и дисперсного углеродного материала. Изучена кинетика медиаторного процесса окисления глюкозы ГОД в составе композита. Полученные данные позволили оптимизировать состав композитного материала в отношении эффективного окисления глюкозы. Разработан и оптимизирован ЛиМС катализатор, используемый в реакции окисления низкомолекулярных спиртов метанол и этанол в слабощелочных, нейтральных и слабокислых буферных растворах. Исследованы физикохимические свойства этого катализатора методами рентгеновского фазового анализа РФА и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии РФЭС. Определено оптимальное соотношение металлов в составе катализатора ат. Ли ат. И и область его стабильной работы Е 0. В овэ, 4. Проведены испытания макетов двух типов БТЭ водородокислородного и спиртовокислородного. В обоих типах БТЭ использовали катод на основе лакказы анод в водородокислородном БТЭ разработан на основе гидрогеназы, в спиртовокислородном БТЭ на основе ЛиИС катализатора. Разработанные БТЭ являются оригинальными. ГЛАВА 1. Биотопливный элемент БТЭ представляет собой электрохимическое устройство, в котором осуществляется преобразование химической энергии в электрическую с использованием биологических катализаторов. Уже в х годах прошлого века в монографиях посвященных топливным элементам ТЭ авторы выделяют так называемые биохимические источники тока в отдельную группу 1, 2, рассматривают принципиальные отличия от классических ТЭ и обсуждают трудности, связанные с разработкой БТЭ низкая электропроводность нейтральных буферных растворов по сравнению с кислыми и щелочными растворами в классических ТЭ температура функционирования БТЭ не превышает С трудности обусловленные использованием металлических электрокатализаторов в биологических средах. БТЭ наиболее органично могут быть интегрированы в высоко производительные системы переработки продуктов жизнедеятельности человеческого общества. БТЭ с более высокой температурой в случае использования термофильных микроорганизмов, либо термической стабилизации ферментов путем их иммобилизации. Рис. Наиболее общая классификация БТЭ может быть представлена на основе принципа работы этих устройств. На рис. БТЭ выделены в три группы. Кроме того, БТЭ можно классифицировать по типу используемого топлива, по типу биокатализаторов, по какимлибо конструктивным особенностям БТЭ. Исследование закономерностей в области биоэлектрокатализа. Создание эффективных композитных материалов на основе биологических катализаторов. Развитие представлений о макрокинетики электродных процессов с участием биокатализаторов. В качестве биокатализаторов используют микробиологические клетки, очищенный фермент или биомиметики. На ранних стадиях развития работ по БТЭ микроорганизмы использовали для преобразования неэлектрохимически активного топлива в электрохимически активное с последующим окислением его на электрокатализаторах, применяемых в традиционных ТЭ 3 5. Микроорганизмы обладают рядом особенностей, что осложняет их использование в БТЭ первых двух типов на рис. Несмотря на то, что в микробиологической клетке, как правило, реализованы целые ферментные системы, позволяющие глубоко окислять сложные органические соединения в основном углеводы, продолжительность жизни клеток составляет от нескольких часов до нескольких суток, что ограничивает стабильность и продолжительность работы таких биоэлектрохимических систем.