JP2012028181A - Enzyme electrode and fuel cell having the same - Google Patents
Enzyme electrode and fuel cell having the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012028181A JP2012028181A JP2010165970A JP2010165970A JP2012028181A JP 2012028181 A JP2012028181 A JP 2012028181A JP 2010165970 A JP2010165970 A JP 2010165970A JP 2010165970 A JP2010165970 A JP 2010165970A JP 2012028181 A JP2012028181 A JP 2012028181A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- enzyme
- electrode
- oxide
- fine particles
- enzyme electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
本発明は酵素電極ならびに酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池に関する。 The present invention relates to an enzyme electrode and a fuel cell having an enzyme electrode on at least one of an anode electrode and a cathode electrode.
近年、環境問題や資源問題への対策の一つとして、燃料電池に対する関心が高まっている。燃料電池は、電気的に接続された2つの電極に燃料と酸化剤を供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。電気化学的にエネルギーを取り出す燃料電池は、火力発電などとは異なってカルノーサイクルの制約を受けないため、高いエネルギー変換効率を示す。一般的に知られている燃料電池の種類としては、固体高分子型燃料電池(PEFC)、アルカリ電解質形燃料電池(AFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)およびダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)などがある。これらの燃料電池は、触媒として白金(Pt)を使用することが多い。しかし、白金は非常に高価な材料であるため、そのことが燃料電池普及の障害の一つとなっている。 In recent years, interest in fuel cells has increased as one of countermeasures against environmental problems and resource problems. A fuel cell is a device that directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. A fuel cell that extracts energy electrochemically is not subject to the Carnot cycle, unlike thermal power generation, and thus exhibits high energy conversion efficiency. Commonly known types of fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEFC), alkaline electrolyte fuel cells (AFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), direct methanol fuel cells (DMFC), etc. There is. These fuel cells often use platinum (Pt) as a catalyst. However, platinum is a very expensive material, which is one of the obstacles to the spread of fuel cells.
一方、触媒として白金を使用しない燃料電池として、バイオ燃料電池が注目されている。バイオ燃料電池は、生体内の代謝メカニズムを応用した燃料電池である。バイオ燃料電池では、アノード電極およびカソード電極の少なくとも一方に、酸化還元酵素が固定された酵素電極が一般的に用いられる。酵素の固定は、例えば導電性の電極基材に、炭素微粒子と結着剤の混合物に酵素を加えたものを塗布するなどして行われる。 On the other hand, biofuel cells are attracting attention as fuel cells that do not use platinum as a catalyst. A biofuel cell is a fuel cell that applies an in vivo metabolic mechanism. In a biofuel cell, an enzyme electrode in which an oxidoreductase is immobilized on at least one of an anode electrode and a cathode electrode is generally used. The enzyme is immobilized, for example, by applying a mixture of carbon fine particles and a binder to which an enzyme is added to a conductive electrode substrate.
バイオ燃料電池の出力を向上させるため、酵素電極を改良する様々な試みがなされている。例えば、特許文献1には生体触媒型直接アルコール燃料電池において、酵素反応により生じる電子を受け取り電極に伝達する電子メディエータを安定させる目的で、酵素電極にTiO2などの金属酸化物を添加することが提案されている。
Various attempts have been made to improve enzyme electrodes in order to improve the output of biofuel cells. For example,
カーボンブラックに代表される炭素微粒子は、比表面積が大きく電極材料として有用であるため、酵素電極の調製に用いられることが多い。しかし、炭素微粒子は一般に疎水性を示し、酵素との親和性が低いため、そのままでは電極上に酵素を十分な量担持させることは難しかった。また、電極触媒に用いる酵素は通常反応に水を必要とするため、疎水環境では十分な性能を発揮することは難しかった。バイオ燃料電池の課題として出力の低さが掲げられており、酵素電極、そしてバイオ燃料電池の出力向上のために、酵素反応の効率をより高める手段が求められている。 Carbon fine particles typified by carbon black have a large specific surface area and are useful as electrode materials, and are therefore often used for preparing enzyme electrodes. However, since carbon fine particles generally exhibit hydrophobicity and have a low affinity with an enzyme, it is difficult to carry a sufficient amount of the enzyme on the electrode as it is. Moreover, since the enzyme used for the electrode catalyst usually requires water for the reaction, it has been difficult to exhibit sufficient performance in a hydrophobic environment. Low output is listed as a problem of biofuel cells, and means for increasing the efficiency of enzyme reaction is required to improve the output of enzyme electrodes and biofuel cells.
本発明者は、炭素微粒子と酵素に加えて特定の金属酸化物を含む混合物が導電性基材に固定された酵素電極では、酵素反応が効率化し、出力が向上することを見出した。本発明の要旨は以下のとおりである。
(1)導電性基材に、炭素微粒子、酵素、ならびに酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンの少なくとも一方を含む金属酸化物を含む混合物が固定された酵素電極。
(2)炭素微粒子1gに対し15〜130mmolの金属酸化物を含む、(1)に記載の酵素電極。
The present inventor has found that in an enzyme electrode in which a mixture containing a specific metal oxide in addition to carbon fine particles and an enzyme is fixed to a conductive substrate, the enzyme reaction becomes efficient and the output is improved. The gist of the present invention is as follows.
(1) An enzyme electrode in which a mixture containing carbon fine particles, an enzyme, and a metal oxide containing at least one of zirconium oxide and molybdenum oxide is fixed to a conductive substrate.
(2) The enzyme electrode according to (1), comprising 15 to 130 mmol of metal oxide with respect to 1 g of carbon fine particles.
(3)炭素微粒子および金属酸化物を溶媒に分散させたスラリーを調製し、該スラリーを導電性基材に塗布した後、酵素を固定化させることにより製造される、(1)または(2)に記載の酵素電極。
(4)(1)〜(3)のいずれかに記載の酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池。
(5)炭素微粒子と、酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンの少なくとも一方を含む金属酸化物とを溶媒に分散させたスラリーを調製し、該スラリーを導電性基材に塗布した後、酵素を固定化させることを含む、酵素電極の製造方法。
(3) Produced by preparing a slurry in which carbon fine particles and metal oxide are dispersed in a solvent, applying the slurry to a conductive substrate, and then immobilizing an enzyme. (1) or (2) The enzyme electrode according to 1.
(4) A fuel cell having the enzyme electrode according to any one of (1) to (3) on at least one of an anode electrode and a cathode electrode.
(5) preparing a slurry in which carbon fine particles and a metal oxide containing at least one of zirconium oxide and molybdenum oxide are dispersed in a solvent, applying the slurry to a conductive substrate, and then immobilizing an enzyme. A method for producing an enzyme electrode, comprising:
本発明によれば、従来と比較して電極出力が向上した酵素電極を提供することができる。そして、本発明の酵素電極を用いることにより、従来よりも高出力なバイオ燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the enzyme electrode which the electrode output improved compared with the past can be provided. By using the enzyme electrode of the present invention, a biofuel cell with higher output than before can be provided.
本発明の酵素電極は、導電性基材に、炭素微粒子と、酵素と、酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンの少なくとも一方を含む金属酸化物とを含む混合物が固定されていることを特徴とする。該混合物には、さらに結着剤が含まれていてもよい。結着剤としては、テフロン(登録商標)の他、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)などに代表される高分子有機化合物溶液や、ナフィオン(登録商標)などの水素イオン伝導性を有する樹脂の分散溶液を用いることができる。例えば、酸素を基質とする酵素を用いた酵素電極の場合、酸素の通気道を確保する目的から、結着剤は結着性に加えて撥水性を有するもの(疎水性であるもの)が好ましいが、親水性の結着剤に撥水性を示す物質を混合して用いることもできる。また、結着剤は導電性を示す物質でもよいし、非導電性を示す物質でもよい。ただし、結着剤は過剰に添加すると炭素微粒子を覆って、表面に存在する微細孔を塞いでしまい、酵素の吸着を阻害するおそれがある。従って、酵素電極の出力向上のためには、その使用量は最小限とすることが好ましい。結着剤の使用量は炭素微粒子1gに対して1g以下、0.9g以下、0.8g以下、さらに0.7g以下とするのが好ましい。なお、導電性基材上に固定された該混合物において、炭素微粒子、酵素および金属酸化物などの各成分は完全に均一に分散していなくてもよい。 The enzyme electrode of the present invention is characterized in that a mixture containing carbon fine particles, an enzyme, and a metal oxide containing at least one of zirconium oxide and molybdenum oxide is fixed to a conductive substrate. The mixture may further contain a binder. As the binder, in addition to Teflon (registered trademark), a polymer organic compound solution typified by polyvinylidene fluoride (PVDF), or a dispersion solution of a resin having hydrogen ion conductivity such as Nafion (registered trademark) is used. Can be used. For example, in the case of an enzyme electrode using an enzyme having oxygen as a substrate, the binder preferably has water repellency (hydrophobic) in addition to the binding property for the purpose of securing an oxygen ventilation path. However, it is also possible to mix a hydrophilic binder with a substance exhibiting water repellency. In addition, the binder may be a substance showing conductivity or a substance showing non-conductivity. However, if an excessive amount of the binder is added, the carbon fine particles may be covered and micropores existing on the surface may be blocked, thereby inhibiting the adsorption of the enzyme. Therefore, it is preferable to minimize the amount used to improve the output of the enzyme electrode. The amount of the binder used is preferably 1 g or less, 0.9 g or less, 0.8 g or less, and more preferably 0.7 g or less with respect to 1 g of the carbon fine particles. In the mixture fixed on the conductive substrate, each component such as carbon fine particles, enzyme, and metal oxide may not be completely dispersed uniformly.
本発明で用いる導電性基材としては、例えばグラファイト、カーボンブラック、活性炭、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の導電性炭素質からなるものや、金、白金、チタン、ニッケル等の金属からなるものなど、一般的なものを用いることができる。 Examples of the conductive base material used in the present invention include conductive carbonaceous materials such as graphite, carbon black, activated carbon, carbon cloth, carbon paper, and carbon felt, and metals such as gold, platinum, titanium, and nickel. Common things, such as a thing, can be used.
本発明で用いる炭素微粒子としては、例えばカーボンブラック、活性炭をはじめ、表面にナノスケールの細孔を有するナノポーラスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、フラーレンなどを用いることができる。 Examples of the carbon fine particles used in the present invention include carbon black, activated carbon, nanoporous carbon having a nanoscale pore on the surface, carbon nanotube, carbon nanofiber, fullerene, and the like.
本発明で用いる酵素としては、例えばデヒドロゲナーゼや、オキシダーゼなどの酸化還元酵素を用いることができる。酸化還元酵素の具体例としては、ビリルビンオキシダーゼ(BOD)、グルコースデヒドロゲナーゼ(GDH)、フルクトースデヒドロゲナーゼ(FDH)、アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ(GOD)、アルコールオキシダーゼ(AOD)、アルデヒドオキシダーゼ、ギ酸デヒドロゲナーゼ、ギ酸オキシダーゼ、ジアホラーゼ、マルチ銅オキシダーゼなどが挙げられる。酵素は、1種のみを用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As an enzyme used in the present invention, for example, a dehydrogenase or an oxidoreductase such as an oxidase can be used. Specific examples of the oxidoreductase include bilirubin oxidase (BOD), glucose dehydrogenase (GDH), fructose dehydrogenase (FDH), alcohol dehydrogenase (ADH), aldehyde dehydrogenase, glucose oxidase (GOD), alcohol oxidase (AOD), aldehyde oxidase , Formate dehydrogenase, formate oxidase, diaphorase, multi-copper oxidase and the like. Only 1 type may be used for an enzyme and it may use it in combination of 2 or more type.
本発明の酵素電極は燃料電池のアノード極およびカソード極のいずれとしても用いることができる。本発明の酵素電極をアノード極として使用する場合、酵素は基質を酸化する酵素である。一方、本発明の酵素電極をカソード極として使用する場合、酵素は基質を還元する酵素である。 The enzyme electrode of the present invention can be used as either an anode or a cathode of a fuel cell. When the enzyme electrode of the present invention is used as an anode electrode, the enzyme is an enzyme that oxidizes a substrate. On the other hand, when the enzyme electrode of the present invention is used as a cathode electrode, the enzyme is an enzyme that reduces a substrate.
本発明で用いる金属酸化物は、酸化ジルコニウム(ZrO2)および酸化モリブデン(MoO2またはMoO3)の少なくとも一方を含む。本発明で用いる金属酸化物は、酸化ジルコニウム(ZrO2)と酸化モリブデン(MoO2またはMoO3)の両方を含んでいてもよく、また他の金属酸化物を含んでいてもよい。酸化ジルコニウムや酸化モリブデンに加えて含みうる金属酸化物としては、酸化マンガン(MnO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化チタン(TiO2)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化アルミニウム(Al2O3)などが挙げられる。本発明で用いる金属酸化物は、好ましくは酸化ジルコニウム(ZrO2)および酸化モリブデン(MoO2またはMoO3)から、あるいは酸化ジルコニウム(ZrO2)または酸化モリブデン(MoO2またはMoO3)のいずれかからなる。 The metal oxide used in the present invention contains at least one of zirconium oxide (ZrO 2 ) and molybdenum oxide (MoO 2 or MoO 3 ). The metal oxide used in the present invention may contain both zirconium oxide (ZrO 2 ) and molybdenum oxide (MoO 2 or MoO 3 ), or may contain other metal oxides. Examples of metal oxides that can be contained in addition to zirconium oxide and molybdenum oxide include manganese oxide (MnO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), and aluminum oxide. (Al 2 O 3 ) and the like. The metal oxide used in the present invention is preferably made of either zirconium oxide (ZrO 2 ) and molybdenum oxide (MoO 2 or MoO 3 ), or from either zirconium oxide (ZrO 2 ) or molybdenum oxide (MoO 2 or MoO 3 ). Become.
酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンは、炭素微粒子と混合すると、通常は疎水性である炭素微粒子に親水性(保水性)を付与する。その結果、電極と酵素の親和性が向上し、電極上に固定される酵素量が増えると考えられる。また、酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンは、電極上に固定された酵素を活性化させ、酵素電極の出力を向上させる作用を有すると考えられる。酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデン、特に酸化モリブデンは、オキシダーゼ、とりわけビリルビンオキシダーゼ(BOD)の活性を高めるのに特に適していると考えられる。酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンの少なくとも一方を含む金属酸化物は、炭素微粒子1gに対し15〜130mmol、さらに30〜120mmol、特に40〜100mmol、とりわけ50〜80mmolの範囲で用いるのが、酵素活性化効果の観点から好ましい。 When mixed with carbon fine particles, zirconium oxide and molybdenum oxide impart hydrophilicity (water retention) to carbon fine particles that are usually hydrophobic. As a result, the affinity between the electrode and the enzyme is improved, and the amount of enzyme immobilized on the electrode is considered to increase. Zirconium oxide and molybdenum oxide are considered to have an action of activating the enzyme fixed on the electrode and improving the output of the enzyme electrode. Zirconium oxide and molybdenum oxide, especially molybdenum oxide, are considered particularly suitable for enhancing the activity of oxidases, especially bilirubin oxidase (BOD). The metal oxide containing at least one of zirconium oxide and molybdenum oxide is used in the range of 15 to 130 mmol, more preferably 30 to 120 mmol, particularly 40 to 100 mmol, especially 50 to 80 mmol with respect to 1 g of carbon fine particles. It is preferable from the viewpoint.
本発明の酵素電極は、例えば炭素微粒子および金属酸化物、ならびに所望により結着剤を溶媒に分散させたスラリーを調製し、該スラリーを導電性基材に塗布し、溶媒を蒸発させた後、酵素を固定化させることにより製造することができる。あるいは、酵素が失活しないようにできるのであれば、予め酵素もスラリーに混合させておき、酵素を含むスラリーを導電性基材に塗布し、溶媒を蒸発させて酵素電極を製造してもよい。スラリーを調製するための溶媒としては、炭素微粒子などを分散可能であり、導電性基材にスラリーを塗布した後に蒸発させて除去可能なものであれば特に限定されない。利用可能な溶媒の具体例としては、例えば2−プロパノール、エタノール、メタノールなどのアルコール系溶媒、アセトンなどのケトン系溶媒、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、ヘキサンなどの脂肪族炭化水素系溶媒、およびトルエンなどの芳香族炭化水素系溶媒といった有機溶媒、水、ならびにリン酸ナトリウムバッファーやリン酸カリウムバッファーなどの各種バッファー水溶液が挙げられる。酵素の電極への固定化は、炭素微粒子および金属酸化物を含むスラリーを導電性基材に塗布した後、溶媒を蒸発させて電極を乾燥させた後に、電極を酵素溶液に浸漬させることにより、あるいは電極に酵素溶液を塗布あるいは滴下するなどした後に静置し、溶液に含まれる酵素を電極に物理吸着させることにより行うことができる。また、酵素の固定化は、物理吸着に限らず、グルタルアルデヒドなどの化学薬品を用いた架橋反応による化学固定法や、ポリエルリジンやキトサンなどを用いたポリイオンコンプレックス法など、酵素固定化法として知られているあらゆる手法を用いることができる。酵素溶液は、例えばリン酸カリウムバッファーなどの緩衝溶液に酵素を溶解させたものを用いることができる。 The enzyme electrode of the present invention is prepared, for example, by preparing a slurry in which carbon fine particles and metal oxide, and optionally a binder is dispersed in a solvent, applying the slurry to a conductive substrate, and evaporating the solvent. It can be produced by immobilizing an enzyme. Alternatively, if the enzyme can be prevented from being deactivated, the enzyme may be mixed with the slurry in advance, the enzyme-containing slurry is applied to the conductive substrate, and the solvent is evaporated to produce the enzyme electrode. . The solvent for preparing the slurry is not particularly limited as long as it can disperse carbon fine particles and can be removed by evaporation after applying the slurry to the conductive substrate. Specific examples of usable solvents include alcohol solvents such as 2-propanol, ethanol, and methanol, ketone solvents such as acetone, ether solvents such as tetrahydrofuran, aliphatic hydrocarbon solvents such as hexane, and toluene. And organic solvents such as aromatic hydrocarbon solvents such as water, and various aqueous buffer solutions such as sodium phosphate buffer and potassium phosphate buffer. Immobilization of the enzyme on the electrode is performed by applying a slurry containing carbon fine particles and a metal oxide to the conductive substrate, evaporating the solvent and drying the electrode, and then immersing the electrode in the enzyme solution. Alternatively, it can be carried out by applying or dropping the enzyme solution to the electrode and then allowing it to stand and physically adsorbing the enzyme contained in the solution to the electrode. Enzyme immobilization is not limited to physical adsorption, but is known as an enzyme immobilization method such as a chemical immobilization method using a cross-linking reaction using a chemical such as glutaraldehyde, or a polyion complex method using polyerucine or chitosan. Any technique that can be used. As the enzyme solution, for example, an enzyme solution dissolved in a buffer solution such as a potassium phosphate buffer can be used.
本発明の酵素電極は、燃料電池におけるアノード極およびカソード極の少なくとも一方として用いることができる。すなわち、本発明は上述したような酵素電極をアノード極およびカソード極の少なくとも一方に有する燃料電池(すなわちバイオ燃料電池)にも関する。 The enzyme electrode of the present invention can be used as at least one of an anode electrode and a cathode electrode in a fuel cell. That is, the present invention also relates to a fuel cell (that is, a biofuel cell) having the enzyme electrode as described above on at least one of an anode and a cathode.
本発明の酵素電極をアノード極として用いる場合、電極に用いた酵素の反応の基質となる物質が燃料としてアノード極側に供給される。燃料の具体例としては、メタノールやエタノールなどのアルコール類、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、ギ酸や酢酸などのカルボン酸類、グルコース、フルクトースなどの糖類などが挙げられる。燃料は電極に固定された酵素に応じて適宜選択することができ、例えば水溶液の状態で系中に供給される。一方、カソード極では大気中から酸素を取り込み、水を生成する。本発明の燃料電池の構成は、酵素電極の他は当業者に公知の構成とすることができる。 When the enzyme electrode of the present invention is used as an anode electrode, a substance serving as a substrate for the reaction of the enzyme used for the electrode is supplied to the anode electrode side as a fuel. Specific examples of the fuel include alcohols such as methanol and ethanol, aldehydes such as acetaldehyde, carboxylic acids such as formic acid and acetic acid, and sugars such as glucose and fructose. The fuel can be appropriately selected according to the enzyme immobilized on the electrode, and is supplied into the system in the form of an aqueous solution, for example. On the other hand, the cathode electrode takes in oxygen from the atmosphere and produces water. The configuration of the fuel cell of the present invention can be a configuration known to those skilled in the art other than the enzyme electrode.
本発明の燃料電池には、さらに電子メディエータが用いられていてもよい。電子メディエータとは、酵素又は補酵素と電子を授受し、さらに導電性基材とも電子を授受することができる物質を意味する。電子メディエータとして用いることができる化合物の例としては、例えば、Os、Fe、Ru、Co、Cu、Ni、V、Mo、Cr、Mn、Pt、Wなどの金属元素またはこれら金属のイオンを中心金属とする金属錯体(フェロセン、フェリシアン化カリウム、フェリシアン化リチウム、フェリシアン化ナトリウムなどのフェリシアン化アルカリ金属、またはこれらのアルキル置換体(メチル置換体、エチル置換体、プロピル置換体等)、オクタシアノタングステン酸カリウムなど);キノン、ベンゾキノン、アントラキノン、ナフトキノンなどのキノン類;ビオローゲン、メチルビオローゲン、ベンジルビオローゲン、フェナジンメトサルフェート、フェナジンエトサルフェート、ビピリジンまたはその誘導体などの複素環式化合物;その他、2,6−ジクロロフェノールインドフェノール、メチレンブルー、β−ナフトキノン−4−スルホン酸カリウム、ビタミンKなどが挙げられる。電子メディエータは、酵素と共に酵素電極に固定されていてもよいし、燃料溶液中に加えられていてもよい。 The fuel cell of the present invention may further use an electronic mediator. The electron mediator means a substance that can exchange electrons with an enzyme or a coenzyme, and can also exchange electrons with a conductive substrate. Examples of compounds that can be used as electron mediators include, for example, metal elements such as Os, Fe, Ru, Co, Cu, Ni, V, Mo, Cr, Mn, Pt, and W or ions of these metals as central metals. Metal complexes (ferrocene, potassium ferricyanide, lithium ferricyanide, alkali metal ferricyanide such as sodium ferricyanide, or alkyl substitutions thereof (methyl substitution, ethyl substitution, propyl substitution, etc.), octacyano Quinones such as quinone, benzoquinone, anthraquinone and naphthoquinone; heterocyclic compounds such as viologen, methyl viologen, benzyl viologen, phenazine methosulfate, phenazine etsulfate, bipyridine and derivatives thereof; , 2,6-dichlorophenol indophenol, methylene blue, potassium β- naphthoquinone-4-sulfonic acid, and the like vitamins K. The electron mediator may be fixed to the enzyme electrode together with the enzyme, or may be added to the fuel solution.
本発明の燃料電池には、さらに酵素の働きを補助する補酵素が用いられていてもよい。補酵素としては、例えばニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(酸化型:NAD、還元型:NADH、NAD/NADHとも称する)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸(酸化型:NADP、還元型:NADPH、NADP/NADPHとも称する)、シトクロム、キノン類(例えば、ピロロキノリンキノン)などが挙げられる。これらの中でも様々な酵素に対して補酵素として機能するNAD/NADHあるいはNADP/NADPH(これらを併せてNAD(P)/NAD(P)Hとも称する)が特に好ましい。補酵素は酵素と共に酵素電極に固定されていてもよいし、燃料溶液中に加えられていてもよい。 In the fuel cell of the present invention, a coenzyme that further assists the function of the enzyme may be used. Examples of coenzymes include nicotinamide adenine dinucleotide (oxidized form: NAD, reduced form: NADH, also referred to as NAD / NADH), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (oxidized form: NADP, reduced form: NADPH, NADP / NADPH). As well as cytochromes and quinones (for example, pyrroloquinoline quinone). Among these, NAD / NADH or NADP / NADPH (also collectively referred to as NAD (P) / NAD (P) H) that functions as a coenzyme for various enzymes is particularly preferable. The coenzyme may be fixed to the enzyme electrode together with the enzyme, or may be added to the fuel solution.
本発明の酵素電極は、燃料電池の他にも例えばバイオセンサー用の電極としても用いることができる。本発明の酵素電極を用いると高い出力が得られるため、そのような用途においても有利である。 In addition to the fuel cell, the enzyme electrode of the present invention can be used as an electrode for a biosensor, for example. Since the high output is obtained when the enzyme electrode of the present invention is used, it is advantageous in such applications.
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
1.酵素固定化電極の作製
(1)炭素微粒子スラリーの調製
超音波破砕機を用いて炭素微粒子スラリーを調製した。結着剤としてはテフロン(登録商標)を用いた。ガラスバイアル瓶に下記分量で各成分を計りとり、十分に分散するまで超音波処理した。表1に超音波処理に供したスラリー組成を示す。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited to these Examples.
1. Preparation of enzyme-immobilized electrode (1) Preparation of carbon fine particle slurry A carbon fine particle slurry was prepared using an ultrasonic crusher. Teflon (registered trademark) was used as the binder. Each component was weighed into a glass vial in the following amounts, and sonicated until it was sufficiently dispersed. Table 1 shows the slurry composition subjected to ultrasonic treatment.
各実施例および比較例で用いた金属酸化物は以下のとおりである:酸化ジルコニウム(ZrO2、実施例1)、酸化モリブデン(MoO3、実施例2)、酸化マンガン(MnO2、比較例2)、酸化イットリウム(Y2O3、比較例3)、酸化チタン(TiO2、比較例4)、酸化鉄(Fe2O3、比較例5)。なお、比較例1では金属酸化物を用いなかった。 The metal oxides used in Examples and Comparative Examples are as follows: zirconium oxide (ZrO 2 , Example 1), molybdenum oxide (MoO 3 , Example 2), manganese oxide (MnO 2 , Comparative Example 2) ), Yttrium oxide (Y 2 O 3 , comparative example 3), titanium oxide (TiO 2 , comparative example 4), iron oxide (Fe 2 O 3 , comparative example 5). In Comparative Example 1, no metal oxide was used.
(2)酵素固定化用基板電極の作製
1cm2の面積となるようにコルクボーラーで切り抜いたカーボンクロス(日本カーボン社製)の両面に、上記(1)で調製したそれぞれのカーボンスラリーを適量塗布し、60℃の乾燥機にて溶媒を乾燥除去した。
(2) Preparation of enzyme immobilization substrate electrode Appropriate amount of each carbon slurry prepared in (1) above was applied to both sides of a carbon cloth (manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) cut out with a cork borer so as to have an area of 1 cm 2. Then, the solvent was removed by drying with a dryer at 60 ° C.
(3)酵素触媒の電極固定化
上記(2)で調製したそれぞれの電極を、予め0.1Mリン酸ナトリウムバッファー(pH7)で50mg/mlとなるように調製したビリルビンオキシダーゼ(BOD:天野エンザイム社製)溶液に浸漬させた。4℃で1晩静置して、電極上にBODを物理吸着法によって固定化した。金属酸化物を用いた電極の場合、特に酸化ジルコニウムおよび酸化モリブデンを用いた電極の場合、酵素溶液が速やかに浸透する様子が観察された。
(3) Immobilization of enzyme catalyst electrode The bilirubin oxidase (BOD: Amano Enzyme Co., Ltd.) was prepared in advance so that each electrode prepared in (2) was 50 mg / ml with 0.1 M sodium phosphate buffer (pH 7). (Made) It was immersed in the solution. It left still at 4 degreeC overnight, and BOD was fix | immobilized on the electrode by the physical adsorption method. In the case of an electrode using a metal oxide, in particular in the case of an electrode using zirconium oxide and molybdenum oxide, it was observed that the enzyme solution rapidly penetrated.
2.電極の評価
上記1(1)〜(3)の手順に従って作製した酵素固定化電極を、集電板であるチタン製メッシュと共にアクリル板で作製した評価用の燃料電池セル(概略図を図1に示す)に組込み、単極での出力を評価した。測定には電気化学アナライザーLS/CH 708c(ALS社製)を用い、0.1Vにおける定電位電流測定(クロノアンペロメトリー法)を行った。また、上記1(3)で実施したBOD固定化により電極上に固定化されたBOD量を測定し、各電極の出力電流値との関係を調べた。また、金属酸化物の混合量について条件検討を実施し、最適値を調べた。
2. Evaluation of Electrode Fuel cell for evaluation (schematic diagram is shown in FIG. 1) in which an enzyme-immobilized electrode prepared in accordance with the procedure of 1 (1) to (3) above was made of an acrylic plate together with a titanium mesh as a current collector. The output at a single pole was evaluated. For the measurement, an electrochemical analyzer LS / CH 708c (manufactured by ALS) was used, and constant potential current measurement (chronoamperometry method) at 0.1 V was performed. In addition, the amount of BOD immobilized on the electrode by the BOD immobilization performed in 1 (3) above was measured, and the relationship with the output current value of each electrode was examined. In addition, conditions were examined for the amount of metal oxide mixed, and the optimum value was investigated.
(1)クロノアンペロメトリー測定
電解液として0.1Mリン酸ナトリウムバッファー(pH7)を用い、電気化学アナライザーLS/CH 708c(ALS社製)を用いて測定を行った。測定は作用電極、参照電極、カウンター電極の3電極式で行った。ここで作用電極には今回作製した酵素電極を、参照電極には銀−塩化銀電極(ALS社製:RE−1B参照電極)を、カウンター電極には白金電極(ALS社製:VC−2用Ptカウンター電極)をそれぞれ用いた。全ての測定は室温で実施し、0.1VにおけるBOD触媒電流の定常電流値(測定開始後500秒を目安として)を測定した。
(1) Chronoamperometry measurement Using 0.1M sodium phosphate buffer (pH 7) as an electrolytic solution, measurement was performed using an electrochemical analyzer LS / CH 708c (manufactured by ALS). The measurement was performed with a three-electrode system including a working electrode, a reference electrode, and a counter electrode. Here, the enzyme electrode produced this time is used as the working electrode, the silver-silver chloride electrode (manufactured by ALS: RE-1B reference electrode) is used as the reference electrode, and the platinum electrode (manufactured by ALS: VC-2) is used as the counter electrode. Pt counter electrode) was used. All measurements were performed at room temperature, and a steady current value of BOD catalyst current at 0.1 V (500 seconds after the start of measurement as a guide) was measured.
各金属酸化物の混合効果を調べた結果を図2に示す。金属酸化物を混合しなかった場合(比較例1)と比べると、金属酸化物を混合した場合ではいずれも出力が向上し、電極への混合効果が確認できた。中でも酸化ジルコニウムを混合した場合(実施例1)および酸化モリブデンを混合した場合(実施例2)では、電極材料として多用されている酸化マンガンなどの他の金属酸化物を混合した場合(比較例2〜5)に対してより高い効果が得られた。特に酸化モリブデンを混合した場合(実施例2)、飛躍的な出力向上効果が得られた。 The result of examining the mixing effect of each metal oxide is shown in FIG. Compared with the case where the metal oxide was not mixed (Comparative Example 1), in the case where the metal oxide was mixed, the output was improved and the mixing effect on the electrode could be confirmed. In particular, when zirconium oxide is mixed (Example 1) and when molybdenum oxide is mixed (Example 2), other metal oxides such as manganese oxide, which are frequently used as electrode materials, are mixed (Comparative Example 2). A higher effect was obtained for ˜5). In particular, when molybdenum oxide was mixed (Example 2), a dramatic output improvement effect was obtained.
(2)電極の酵素親和性の評価
上記1(3)で実施した酵素固定化処理によって各電極上に固定化された酵素タンパク量を測定し、比較した。測定にはBioRad社製のタンパク質含有量測定キットを使用し、Bradford法によってタンパク量を算出した。電極に固定された酵素量とクロノアンペロメトリー測定で得られた電流値との関係を示すグラフを図3に示す。
(2) Evaluation of enzyme affinity of electrode The amount of enzyme protein immobilized on each electrode by the enzyme immobilization treatment performed in 1 (3) above was measured and compared. For measurement, a protein content measurement kit manufactured by BioRad was used, and the protein amount was calculated by the Bradford method. A graph showing the relationship between the amount of enzyme immobilized on the electrode and the current value obtained by chronoamperometry measurement is shown in FIG.
金属酸化物を混合した電極では、混合しない電極と比べて吸着したタンパク質の量が多く、金属酸化物を添加することで電極に対する酵素の親和性が改善されていることがわかった。中でも、酸化ジルコニウムを混合した場合(実施例1)、良好な電極材料として既知である酸化マンガンを混合した場合(比較例2)に比べて、タンパク吸着量が相対的に少ないにもかかわらず出力は約40%以上向上した。また、酸化モリブデンを混合した場合(実施例1)、電極への酵素吸着が最も多く、かつその他の金属酸化物を混合した場合に比べて飛躍的な出力向上効果が認められた。 It was found that the electrode mixed with the metal oxide had a larger amount of protein adsorbed than the electrode not mixed, and that the affinity of the enzyme for the electrode was improved by adding the metal oxide. In particular, when zirconium oxide is mixed (Example 1), compared with the case where manganese oxide, which is known as a good electrode material, is mixed (Comparative Example 2), the output of protein is relatively small. Improved by about 40% or more. Further, when molybdenum oxide was mixed (Example 1), the enzyme adsorption to the electrode was the largest, and a dramatic output improvement effect was recognized as compared with the case where other metal oxides were mixed.
酸化モリブデンの混合効果を確認するために、酸化モリブデンは含むが酵素を固定しない電極を作製し、上記2(1)と同様にクロノアンペロメトリー測定を行った。その結果を図4に示す。同じ酸化モリブデンを混合した電極であっても酵素を固定しない場合は出力が得られないことがわかった。酸化モリブデン自体が触媒作用を有することも考えられたが、酵素を含まない場合は出力が得られないことから、酸化モリブデンを混合した電極における出力向上は、酸化モリブデンと酵素の触媒活性の間の相互作用に起因するものと考えられる。 In order to confirm the mixing effect of molybdenum oxide, an electrode containing molybdenum oxide but not immobilizing an enzyme was prepared, and chronoamperometry measurement was performed in the same manner as 2 (1) above. The result is shown in FIG. It was found that even if the electrodes were mixed with the same molybdenum oxide, no output could be obtained unless the enzyme was immobilized. Although it was considered that molybdenum oxide itself has a catalytic action, since an output cannot be obtained when an enzyme is not included, the output improvement in an electrode mixed with molybdenum oxide is between the catalytic activity of molybdenum oxide and the enzyme. It is thought to be due to the interaction.
(3)酸化モリブデン混合量の最適化
上記1の手順に従って、酸化モリブデン混合量を変えた酵素電極(0mmol、0.49mmol、0.98mmol、1.95mmol、3.9mmolの4条件)を作製し、出力電流を評価した。その結果を図5に示す。酸化モリブデンについては1.95mmol前後に混合量の最適値が存在することがわかった。
(3) Optimization of Molybdenum Oxide Mixing Amount According to the
酵素電極を用いたバイオ燃料電池は、低コストかつ低環境負荷電池として、現行のリチウムイオン電池の代替として利用される可能性がある。用途としては医療機器やモバイル機器のほか、小型モビリティの電源などが考えられており、その場合の市場規模は極めて大きい。 Biofuel cells using enzyme electrodes may be used as low-cost and low environmental load batteries as an alternative to current lithium ion batteries. Applications include medical devices and mobile devices, as well as power supplies for small mobility, and the market size in that case is extremely large.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010165970A JP2012028181A (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Enzyme electrode and fuel cell having the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010165970A JP2012028181A (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Enzyme electrode and fuel cell having the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012028181A true JP2012028181A (en) | 2012-02-09 |
Family
ID=45780876
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010165970A Pending JP2012028181A (en) | 2010-07-23 | 2010-07-23 | Enzyme electrode and fuel cell having the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2012028181A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013243012A (en) * | 2012-05-18 | 2013-12-05 | Toyota Motor Corp | Method of manufacturing electrode for biofuel cell |
| JP2013247070A (en) * | 2012-05-29 | 2013-12-09 | Toyota Motor Corp | Cathode-side electrode for biofuel cell and method of manufacturing the same |
| CN104973661A (en) * | 2014-04-10 | 2015-10-14 | 中国石油化工股份有限公司 | Composite cathode electrode, preparation method and application thereof |
| JP2017157517A (en) * | 2016-03-04 | 2017-09-07 | 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 | Bioelectrochemical system and electrode for bioelectrochemical system |
| CN118899490A (en) * | 2024-09-23 | 2024-11-05 | 南京工业大学 | Glucose fuel cell based on CC/AuNPs/PPy@MnO2 electrode and its construction method |
-
2010
- 2010-07-23 JP JP2010165970A patent/JP2012028181A/en active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013243012A (en) * | 2012-05-18 | 2013-12-05 | Toyota Motor Corp | Method of manufacturing electrode for biofuel cell |
| JP2013247070A (en) * | 2012-05-29 | 2013-12-09 | Toyota Motor Corp | Cathode-side electrode for biofuel cell and method of manufacturing the same |
| CN104973661A (en) * | 2014-04-10 | 2015-10-14 | 中国石油化工股份有限公司 | Composite cathode electrode, preparation method and application thereof |
| JP2017157517A (en) * | 2016-03-04 | 2017-09-07 | 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構 | Bioelectrochemical system and electrode for bioelectrochemical system |
| CN118899490A (en) * | 2024-09-23 | 2024-11-05 | 南京工业大学 | Glucose fuel cell based on CC/AuNPs/PPy@MnO2 electrode and its construction method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11139500B2 (en) | Alcohol based biofuel cell | |
| Neto et al. | Membraneless enzymatic ethanol/O2 fuel cell: transitioning from an air-breathing Pt-based cathode to a bilirubin oxidase-based biocathode | |
| JP5751032B2 (en) | Enzyme fuel cell | |
| JP4300743B2 (en) | Fuel cell | |
| JP2004165142A (en) | Direct alcohol fuel cell using biocatalyst | |
| Fujita et al. | A repeatedly refuelable mediated biofuel cell based on a hierarchical porous carbon electrode | |
| JP2009245920A (en) | Fuel cell, electronic apparatus, and buffering liquid for fuel cell | |
| JP2021086810A (en) | Cathode for biofuel cell | |
| Gao et al. | Electrocatalytic activity of carbon spheres towards NADH oxidation at low overpotential and its applications in biosensors and biofuel cells | |
| JP2012028181A (en) | Enzyme electrode and fuel cell having the same | |
| JP5423580B2 (en) | Enzyme electrode and biofuel cell having the same | |
| WO2010041685A1 (en) | Fuel cell, electronic device and buffer solution for fuel cell | |
| JP2007103307A (en) | Fuel cell manufacturing method, fuel cell, fuel cell negative electrode manufacturing method, fuel cell negative electrode, electronic device, mobile body, power generation system, cogeneration system, enzyme reaction utilization device production method, enzyme reaction utilization device, enzyme reaction Method for producing electrode for utilization device, electrode for enzyme reaction utilization device, and immobilization method | |
| Takamura et al. | Site-directed mutagenesis of multicopper oxidase from hyperthermophilic archaea for high-voltage biofuel cells | |
| Shitanda et al. | High capacity lactate biofuel cell using enzyme cascade without nad | |
| US20140342248A1 (en) | Fuel cell | |
| JP2017091971A (en) | Gas diffusion electrode material for biofuel cell, method of producing gas diffusion electrode material, and biofuel cell including gas diffusion electrode material | |
| US11664504B2 (en) | Hematin modified bilirubin oxidase cathode | |
| Selloum et al. | Performance comparison with different methods for ethanol/O2 biofuel cell based on NAD+ cofactor immobilized and activated by two types of carbon nanoparticles | |
| CN114023981A (en) | Application of Composite Catalytic Cascade Reactions in Glucose Fuel Cells | |
| JP5481822B2 (en) | Enzyme electrode and fuel cell using the enzyme electrode | |
| US20210050613A1 (en) | Nanostructured bioelectrode for glucose oxidation, from electrogenerated aromatic compounds | |
| JP2013016439A (en) | Enzyme fuel cell | |
| JP2013247070A (en) | Cathode-side electrode for biofuel cell and method of manufacturing the same | |
| Kosugi et al. | Surfactant-Free Formate/O2 Biofuel Cell with Electropolymerized Phenothiazine Derivative-Modified Enzymatic Bioanode |