维生素介导的葡萄糖流动电池用于可持续发电

《ACS Energy Letters》：Vitamin-Mediated Glucose Flow Cell for Sustainable Power Generation

葡萄糖作为生物燃料具有低温发电、易获取等优势，但传统催化剂系统功率密度较低。本研究以核黄素（Riboflavin）为环境友好型液态催化剂，在碱性条件下构建葡萄糖氧化燃料电池，通过化学氧化还原循环实现高效能量转化，峰值功率密度达13 mW/cm2，较传统系统提升20倍。优化电解质组成与激活时间，发现低温下 riboflavin 与葡萄糖的氧化还原反应动力学（kobs=0.1 M?1s?1）接近生物酶催化效率，且通过引入氧气电极与双介质催化体系，有效提升反应物传输与电子转移效率。该系统为可持续能源存储提供了新范式。

　　葡萄糖作为一种生物燃料，其在能量转换和储存领域展现出独特的潜力。相比传统燃料，葡萄糖具有低温度下发电、易获取、低成本以及可按需供能等优势，使其成为一种极具吸引力的替代能源材料。然而，葡萄糖的高效电化学氧化反应（GOR）一直是实现其高功率发电的关键挑战。为了克服这一瓶颈，研究人员提出了一种基于维生素B?（核黄素）的新型催化设计策略，以替代传统贵金属催化剂。这种策略不仅降低了生产成本，还提升了系统的环境友好性，为生物燃料电池的发展提供了新的方向。

在生物系统中，葡萄糖通过一系列代谢反应被转化为可用能量，其中关键的酶辅因子是黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），其结构与核黄素类似。这种酶辅因子在催化反应中起到重要作用，能够促进葡萄糖的氧化反应。受此启发，研究团队设计了一种流式电池系统，利用核黄素作为均相有机介质，用于葡萄糖的氧化反应。通过将核黄素与氧电极配合使用，该系统在碱性条件下实现了高达13 mW/cm2的峰值功率密度，是此前报道的相似条件下的20倍。这一突破表明，核黄素作为一种生物催化剂，能够在不依赖贵金属的前提下，显著提升葡萄糖氧化反应的效率。

在电化学反应过程中，葡萄糖在阴极表面被氧化为更高氧化态的产物，同时释放电子。这些电子通过均相介质传递至阳极，并在阳极上与核黄素发生反应，进一步氧化生成新的产物。核黄素在氧化过程中释放的能量最终转化为电能。这种机制与金属-空气燃料电池类似，其中金属作为氧化剂，而核黄素则充当了液态催化剂的角色。通过这种方式，系统能够实现高效的能量转换，同时避免了贵金属催化剂带来的高昂成本和环境负担。

为了进一步优化该系统的性能，研究团队对电解质成分进行了系统性筛选，以平衡葡萄糖的电化学利用和电能输出。在实验中，研究人员发现，当电解质中的核黄素浓度较低时，系统表现出更高的峰值功率密度，这可能是由于更低的氧化电位，从而提升了整体的电压输出。同时，电解质中的葡萄糖浓度也对系统性能产生了影响，较高的浓度虽然增加了理论容量，但由于粘度增加和导电性下降，导致实际反应速率降低。因此，合理调整电解质的组成，是提升系统性能的重要手段。

此外，研究团队还对系统的工作温度进行了测试。在较高温度（如50℃）下，系统表现出更高的电化学活性，这可能是由于温度升高促进了核黄素与葡萄糖之间的化学反应，从而加快了反应速率。然而，温度的升高并未显著改变系统的峰值功率密度，说明其性能主要依赖于反应物的浓度和电解质的性质，而非单纯依赖于温度。因此，研究团队认为，通过优化反应条件和电解质组成，可以在不依赖温度提升的情况下实现更高的能量输出。

在电化学反应过程中，系统还表现出对氧的敏感性。当氧气存在于阳极电解质中时，会加速核黄素的氧化反应，从而降低系统的整体性能。因此，在实验中，研究人员采用了惰性气体（如氮气）来保护系统免受氧气的干扰，确保反应的稳定性和高效性。这种设计不仅提升了系统的性能，还增强了其在实际应用中的可行性。

为了验证系统的性能，研究团队进行了多种测试，包括恒流放电测试和线性扫描伏安法。结果显示，当系统在室温下运行时，能够持续输出稳定的电压，并且在较长的时间内保持较高的电能输出。这一结果表明，核黄素作为均相催化剂，能够在不依赖复杂酶结构的情况下，实现高效的葡萄糖氧化反应。同时，系统在不同条件下表现出不同的反应动力学特性，这为进一步优化系统提供了理论依据。

研究团队还利用紫外-可见光谱（UV–vis）对核黄素与葡萄糖的反应速率常数进行了测量。结果显示，核黄素与葡萄糖之间的反应速率常数为0.1 M?1s?1，略低于葡萄糖氧化酶催化的反应速率。这表明，尽管核黄素在催化反应中表现出良好的性能，但其效率仍需进一步提升。然而，研究团队指出，这一速率常数在没有酶结构支持的情况下，已经能够实现较为高效的能量转换。

总的来说，该研究提出了一种基于核黄素的新型电化学流式电池系统，能够高效地将葡萄糖的化学能转化为电能。该系统在不依赖贵金属催化剂的前提下，实现了较高的峰值功率密度，为长时储能和按需供能提供了新的解决方案。研究团队认为，这一设计策略不仅降低了系统的成本和环境影响，还为未来的生物燃料电池开发提供了重要的参考价值。进一步的工程优化和反应机制研究，将有助于提升系统的性能，使其在实际应用中发挥更大的潜力。