新規電子メディエーターを固定化した電極の開発とバイオ燃料電池アノードへの適用

固定新型电子介体电极的开发及其在生物燃料电池阳极中的应用

• 批准号: 22KJ2311
• 负责人: 中川 凌
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Okayama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2311/
• 关键词: バイオ燃料電池; メディエーター; バイオセンサ; 酸化グラフェン; バイオ燃料電池; メディエーター; バイオセンサ; 酸化グラフェン

バイオ燃料電池の設計において、現在までにメディエーター分子の構造や電極への固定化における明確な設計指針は確立されていない。本研究の目的は、酵素型バイオ燃料電池におけるメディエーター分子設計および電極設計の指針を明らかとすることである。分子設計においては、これまでの私たちの研究でキノリン構造を由来とする含窒素型メディエーター分子を新たに開発している。2022年度は基本骨格に種々の官能基を導入した誘導体の合成を行い、それらの多くがグルコース脱水素酵素のメディエーターとしての働きを示した。また、酸化還元電位や水溶性、連続測定に対する安定性などの特性の調整にも成功した。しかしながら官能化した誘導体に共通して、燃料であるグルコースとの応答性が低下していくことが判明した。今後は応答性の維持さらにはより応答性を高めた誘導体の合成を試みていく予定である。電極設計に関しては、電極材料とメディエーター分子との相互作用について理論計算を用いて評価した。具体的には、次世代の電極材料として期待される酸化グラフェンのモデル構造とメディエーター分子について構造最適化およびエネルギー計算を行った（ωB97X-D/6-31+g(d,p)）。得られた計算結果より電極材料とメディエーター分子の相互作用エネルギーを算出した。その結果、対象とする含窒素型メディエーターは従来のものと比べて電極材料と強く相互作用しており、材料上でより安定化していることが推察された。

迄今为止，迄今为止，尚未针对介体分子的结构或固定到电极的结构建立明确的设计指南。这项研究的目的是阐明基于酶的生物燃料细胞中介体分子和电极设计的指南。在分子设计中，我们以前的研究开发了源自​​喹啉结构的新的含氮介质分子。在2022年，我们将引入基本骨骼的各种官能团合成衍生物，其中许多衍生物显示了葡萄糖脱氢酶介质的功能。此外，已经成功调整了诸如氧化还原电位，溶解性和稳定性之类的特性。然而，已经发现，对燃料葡萄糖的反应能力降低，这与功能化衍生物一样。将来，我们计划尝试保持响应能力并综合响应能力增加的衍生物。使用理论计算将电极设计与电极材料与介体分子的相互作用进行评估。具体而言，在氧化石墨烯的模型结构和介体分子上进行了结构优化和能量计算，该分子预期是下一代电极材料（ωb97x-d/6-31+g（d，d，p））。电极材料与介体分子之间的相互作用能是根据获得的计算结果计算的。结果，据估计，含氮的介体与传统材料相比与电极材料相互作用，并且在材料上更稳定。