Биотопливные элементы на основе наноуглеродных материалов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

НАНОСИСТЕМЫ

187

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1Алферов В.А., 2Василов Р.Г., 3Губин С.П., 4Кашин В.В., 5Китова А.Е., 4Колесов В.В., 5Мачулин А.В., 5Решетилов А.Н., 5Решетилова Т.А.

Тульский государственный университет, http://tsu.tula.ru

^Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", http://www.nrcki.ru 3Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, http://wwwigic.ras.ru 4Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, http://wwwcplire.ru 5Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, http://www.ibpm.ru

Поступила в редакцию 21.11.2014

Рассматривается состояние исследований и новые направления, которые развиваются в последнее время при создании биотопливных элементов — устройств, основанных на биологическом материале и производящих прямую генерацию электрической энергии при окислении субстратов. Исследовано функционирование микробного биотопливного элемента, окисляющего этанол. Биоэлектрокатализатором являлись интактные бактериальные клетки Gluconobacter oxydans или их мембранные фракции. Рассмотрено применение наноуглеродных материалов при создании электродов биотопливных элементов. Экспериментально исследована ячейка биотопливного элемента на основе терморасширенного графита. Рассмотрены особенности использования графена как основы электродов в биотопливных элементах при формировании электродов. Успешное развитие данной тематики, относящейся к биоэнергетике, возможно при тесном взаимодействии таких областей биотехнологии как биосенсорные и электрохимические исследования, опирающиеся на применение микроэлектронных технологий.

Ключевые слова: биотопливные элементы, биоанод, прямое получение электрической энергии, окисление субстратов ферментами и микробными клетками, мембранные фракции, наноуглеродные материалы.

УДК: 544.6:57______________________________

Содержание

1. Введение (187)

2. Современные направления разработок БТЭ (190)

3. Разработка биоанода топливного элемента на основе терморасширенного графита (191)

3.1. Разработка и изготовление макета биоанода (193)

3.2. Электрофизические исследования (194)

4. Применение графена в биотопливных элементах (197)

4.1. Применение графенового наноматериала для электродов БТЭ (200)

5. Заключение (204)

Литература (204) 1

1. ВВЕДЕНИЕ

Разработки методов генерации электроэнергии с использованием биологического материала, как одного из главных составляющих в этом процессе, приобрели в последние годы широкий размах. Причины повышенного интереса к данной тематике связаны с общими проблемами человечества - поиском новых источников энергии, а также с экологической проблемой, сопряженной с использованием ископаемых источников энергии - выделением

при их сжигании значительного количества углекислого газа. Самый большой вызов, который человечество бросает окружающей природе, состоит в сохранении производства электрической энергии при снижении выброса углекислого газа. Следует разработать принципиально новую платформу, которая даст возможность производить достаточный объем энергии при снижении образующегося при этом количества СО2. Разработка технологии микробных топливных ячеек представляет новейший альтернативный подход к такому способу генерации электричества [1]. Системы или топливные элементы, в которых в общем случае используется биологический материал, окисляющий неорганические

материалы (газообразный водород) или, как в большинстве случаев, органику, и производится генерация электрического потенциала, называют биотопливными (БТЭ). Материалы по БТЭ широко представлены в научной печати [2-6]. По-видимому, первая публикация по этой тематике относится к 1911 году [7]. В начале 1990-х годов возникла новая волна интереса, описывающая микробные биотопливные элементы (МБТЭ) на основе

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

НАНОСИСТЕМЫ

медиаторов. Последующий всплеск исследований относится к 1999 г., когда была показана возможность безмедиаторного транспорта электронов [8].

В микробной клетке энергия окисления органических субстратов превращается в два компонента - электрическую часть, обеспечивающую мембранные потенциалы, и химическую, в форме АТФ. По сути БТЭ представляет модель клетки, имитирующей генерацию электрического потенциала. Электроды могут быть замкнуты нагрузочным сопротивлением, измеряя на котором напряжение и ток можно получать данные об электрической мощности БТЭ. В классическом микробном БТЭ анодное отделение и катодное разделены протон-проницаемой мембраной. Микробные клетки находятся в анодном отделении, производя окисление субстратов и выделяя электроны, переносимые на анод, и протоны в окружающий раствор. Катодное отделение насыщается воздухом, из которого используется кислород, который восстанавливается до воды электронами, поступившими на катод. Выделяемую электрическую мощность БТЭ (P) определяют по формуле P = I х V, где I — ток, протекающий через внешнюю нагрузку, V — напряжение на ней. Теоретически напряжение V определяется разностью формальных потенциалов окислителя E и окисляемого

окислителя

субстрата E . , т.е. V = E — E . — и,. При

J L субстрата^ окислителя субстрата ‘ •*-

этом существуют необратимые потери и, снижающие реальное значение действующего потенциала. Потери обусловлены омическим сопротивлением электролита, наличием концентрационного градиента электролита, кинетическими ограничениями реакций переноса электронов на электрод, внутренним сопротивлением БТЭ. Формальный потенциал E определяется в терминах изменения свободной энергии Гиббса AG, связанной с реакцией окисления/восстановления вещества E= —AG/nF, где n — число переносимых электронов, F — константа Фарадея.

В работе [2] предложена общая классификация, включающая практически все виды существующих топливных элементов и ячеек и кратко описывающая их особенности. Схематически такая структура в модифицированном виде приведена на рис. 1 и 2. 2

Биологические системы В качестве катализаторов используются ферменты и целые клетки

Микробные катализаторы Ферменты, присутствующие в микроорганизмах Ферментные катализаторы Используются выделенные и очищенные ферменты как специфические катализаторы

Активированные растворы

Активный компонент - биологический материал - находится в электролите.

Медиаторы могут находиться в растворе или быть иммобилизованы/встроены в электрод

Медиаторный перенос В ферментной реакции используются молекулы - переносчики - медиаторы, которые переносят на электрод электроны

Рис. 2. Классификация биотопливных систем.

В соответствии с [2] к электрохимическим топливным системам относятся такие, которые обеспечивают прямое получение электрической энергии из химических и фотохимических реакций. К ним относятся батареи, топливные элементы/ячейки и солнечные батареи. Для батарей типичным является то, что анодное и катодное топливо сохраняется внутри системы и не может быть заменено. В источниках этого типа используются химические неорганические растворы. Ситуация изменяется для топливных элементов/ячеек, в которых анодное и катодное топливо (окисляемые субстраты) хранится вне ячеек и может быть заменено. БТЭ относятся к этой группе источников тока. В качестве преобразующего элемента — биологического катализатора — в них могут выступать как ферменты, так и целые клетки микроорганизмов. У клеточных микроорганизмов в процессе биоэлектрокатализа участвуют мембранные ферменты, локализованные внутри клетки.

Важной характеристикой источников тока являются их мощностные характеристики (рис. 3). Так, батареи и солнечные элементы имеют, в зависимости от конструкции, широкий диапазон развиваемых мощностей, заключающийся в пределах от 10-3 до 107 Вт. Уровень мощностей от 100 до 107 Вт заполнен топливными ячейками, относящимися к батареям, аккумуляторам — к элементам, работающим на реакциях окисления-восстановления. Далее расположен так называемый "незаполненный сегмент" — 10°-5А0-3 Вт. Диапазон, имеющий отношение к биосенсорам и биотопливным элементам, составляет величину от 10-10 до 10-5 и от 10-7 до 5А0-3 Вт.

Активированные электроды

Активный компонент (биологический компонент) как возможно и медиатор - локализован на поверхности электрода

Ферментная система передает электрон непосредственно на электрод, не используя медиатор

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

Поскольку суть процесса в БТЭ можно описать схемой переноса электрона по цепи "органический субстрат — фермент/клетка — медиатор — электрод (анод) — внешняя цепь — электрод (катод)", добавив процессы восстановления кислорода в анодном отделении, то на этом примере можно проследить основные направления, в которых проводятся исследования по БТЭ в мире настоящее время.

Первые практически наиболее значимые результаты в разработке БТЭ на основе фермента алкогольдегидрогеназы были достигнуты финскими исследователями во главе с проф. Aarne Halme

[9]. Интересы этой группы были сосредоточены на исследовании различных типов топливных элементов и моделировании процессов генерации электроэнергии [10]. Для БТЭ, описанного в работе [9], авторами была представлена детальная информация о параметрах устройства. Было показано, что при окислении 1 грамма метанола теоретически можно получить около 5А-час электрической энергии.

Рассматривая публикации последних 3-5 лет можно отметить основные направления разработок. В настоящее время интенсивно развивается применение новых материалов при создании электродов. В основном внимание направлено на использование углеродных наноматериалов. В работе [11] рассмотрен вариант иммобилизации глюкозооксидазы на платинированных углеродных нанотрубках, обеспечивающий облегченный перенос электронов на электрод. Применение углеродных нанотрубок описано также в работах [11, 12]. Производится поиск новых типов медиаторов [14] и их встраивание в электродные узлы БТЭ [15]. При этом внимание уделяется не только анодным, но и катодным медиаторам [16].

Использование полимеров на основе осмия позволяет формировать структуры, являющиеся удерживающим элементом и медиатором, одновременно. В [17] представлен новый метод синтеза осмиевого полимера, предназначенного для использования в БТЭ. В качестве топлива для БТЭ предлагается использование этанола. Такой вариант БТЭ описан в [18].

Разрабатываются новые конструкции БТЭ, в том числе безмембранные [19]. Рассматриваются различные способы иммобилизации фермента глюкозооксидазы на поверхность углеродных нанотрубок, обеспечивающих облегченную безмедиаторную передачу электронов [20]. Показано, что достаточно эффективной конструкцией ферментного БТЭ является проточная безмембранная система [21]. Новый тип БТЭ на

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 189 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

основе двух ферментов — глюкозооксидазы и уреазы — представлен в [22]. В данном БТЭ электродвижущая сила создавалась за счет ферментативной активности и генерации разности рН в отсеках анодном и катодном, при этом мощность элемента находилась в пределах десятков микроватт.

Для использования в БТЭ производится тестирование новых штаммов бактерий на их эффективность [23], разрабатываются новые типы катализаторов [24]. Разработаны БТЭ на основе органелл. В [25] представлены характеристики системы на основе митохондрий. В обзоре [26] рассматриваются преимущества, обусловленные использованием в БТЭ ферментов. Важное направление разработок связано с применением БТЭ как источника электрической энергии для имплантированных устройств в организме и возможностью управления его режимом [27]. Подходы к безмедиаторному биоэлектрокатализу освещены в [28].

В [29] исследовались особенности переноса заряда в системе "окисляемый субстрат-бактериальные клетки-медиатор-электрод" для бактериальных клеток рода Gluconobacter. Проведен выбор водорастворимого медиатора электронного транспорта, взаимодействующего с мембранолокализованными ферментами бактериальных клеток. Показано, что наиболее эффективным медиатором является 2,6-дихлорфенолиндофенол по сравнению с 1,4-бензохином и гексацианоферратом(Ш) калия.

Был выбран эффективный тип биокатализатора и осуществлена оценка эффективности биокаталитического окисления субстратов клетками рода Gluconobacter. Установлено, что максимальная величина генерируемого потенциала достигается для штамма Gluconobacter oxydans sb. sp. industrius (ВКМ B-1280) при использовании в качестве субстрата окисления глюкозы. Исследовано влияние концентрации субстрата, медиатора, рН буферного раствора и геометрических размеров электродов на величины генерируемого потенциала, при этом усредненными параметрами БТЭ были следующие значения: развиваемое напряжение порядка 6 мВ при токе 0.5 мкА и величине нагрузки в 10 кОм для случая, когда величина внутреннего сопротивления составляет 90 кОм. Показано, что растворенный в анодном отделении кислород не оказывает существенного влияния на работу биотопливного элемента. В диапазоне от 10 до 40°С исследовано влияние температуры на величину генерируемой ЭДС и продемонстрирована возможность использования отходов бродильных производств в качестве топлива [30].

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

НАНОСИСТЕМЫ

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

Применение микробных клеток в БТЭ имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с ферментами. Так, в качестве преимущества

микробных БТЭ можно отметить, что:

• субстратная специфичность микроорганизмов весьма разнообразна, в связи с этим они могут служить биокатализаторами для широкого круга субстратов,

• стоимость производства биокатализаторов на основе микроорганизмов низка по сравнению со стоимостью выделения фермента,

• при нескольких стадиях окисления субстрата электрохимический сигнал целых клеток будет выше, чем в случае изолированного фермента,

• некоторые потенциально пригодные для БТЭ ферменты неустойчивы,

• в микроорганизмах ферментам обеспечивается лучший способ защиты от мешающих растворенных веществ,

• многие микроорганизмы подробно

охарактеризованы генетически,

• разумное использование мутаций позволяет

дополнительно увеличить активность,

селективность и специфичность микробного БТЭ.

К недостаткам микробных БТЭ можно отнести следующее:

• высокую приспособляемость и изменчивость свойств микроорганизмов, которые могут неконтролируемо изменять параметры БТЭ,

• проблему поддержания активности

микроорганизмов неизменной в течение длительного времени,

• в восстановительных реакциях микроорганизмов процессу переноса электронов с помощью медиаторов может мешать атмосферный кислород,

• микробные катализаторы имеют больший объем, чем ферментные.

Перечисленные особенности свидетельствуют о том, что при наличии конкретной практической задачи следует руководствоваться этими данными для поиска оптимального решения.

2. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТОК БТЭ

Рассматривая возможные направления исследований по БТЭ, в частности, по БТЭ на основе клеток микроорганизмов, можно выделить несколько основных задач.

Важнейшей задачей является улучшение параметров БТЭ, в частности, повышение энергоотдачи. Этот вопрос связан с конструкцией электродов, их типом, материалом и видом топлива.

Как показывает анализ литературных данных, разработке новых типов электродов придается достаточно большое значение. Задача состоит в поиске условий максимальной энергоотдачи одиночного БТЭ за счет нахождения оптимальных условий переноса заряда. При нахождении оптимальных условий следует увеличивать удельную поверхность электродов, доступную для иммобилизации биоматериала, а также тестировать используемый биоматериал для создания электродов с наименьшим сопротивлением.

К актуальным направлениям микроэнергетики относится разработка модели гибридного устройства для питания микромощных радиоэлектронных устройств, в котором БТЭ сопряжен с электронным накопительным элементом в виде суперконденсатора высокой емкости (ионистора) для передачи и хранения электрической энергии, а также системы бесконтактной подкачки энергии из окружающего электромагнитного поля.

Важной практической задачей является снижение размеров БТЭ. Исследования по миниатюризации БТЭ, мировая тенденция создания аппаратов и устройств с высокой плотностью функциональных элементов уже давно развивается в мировой практике. Так, в 1999 г. были опубликованы материалы японских исследователей, в которых предлагался вариант многоканальной БТЭ, выполненной с помощью микроэлектронной технологии. Многоканальный БТЭ представлял устройство, содержащее 25 пар БТЭ-ячеек, включенных последовательно, при этом каждая пара содержала анодное и катодное отделение, разделенные ион-проницаемой мембраной. В качестве действующего фермента использовалась глюкозооксидаза. Предполагаемая мощность такой батареи должна была составлять единицы ватт. Ее использование планировалось в роботизированных системах [31].

В 2012 г. была опубликована серия работ по созданию гибридных систем типа "БТЭ-живой организм" [32, 33]. Сама тема исследований не является новой: уже порядка десятилетия обсуждается возможность получения окисляемых субстратов для БТЭ, вживленного в организм, из органических ресурсов живого существа. Однако ранее работы затрагивали вопрос чисто теоретически и до сих пор имеются только одиночные примеры реализации на практике. Фактически в работе [32] впервые реализован практический вариант, в котором представлен БТЭ безмембранного типа, вживленный в свободно перемещающуюся улитку. Для формирования БТЭ использовали PQQ-зависимую глюкозодегидрогеназу, а в катодном

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

отсеке используется лакказа. Электроды представляли собой углеродные нанотрубки, обеспечивающие безмедиаторный транспорт электронов. Вживленная система электродов обеспечивала длительную регистрацию генерации тока. Так, через две недели функционирования БТЭ уровень тока практически был равен начальному.

Следующим шагом в разработках была попытка показать, что электрическую энергию, генерируемую маломощным БТЭ, можно эффективно накапливать с помощью ионистора — конденсатора большой емкости [34]. В модели БТЭ использовался суперконденсатор с емкостью порядка 1 Ф. Для его зарядки использовались три параллельно включенных ячейки БТЭ. За время порядка 60 мин напряжение на конденсаторе нарастало до 240 мВ при общей накопленной энергии порядка 28 мДж. Накопленной энергии было достаточно, чтобы провернуть ротор миниэлектродвигателя на 90°. По-видимому, при дальнейшей проработке такие системы могут успешно применяться для обеспечения энергией биомикроустройств.

Второе направление исследований позволяет подойти к созданию БТЭ нового типа. Речь идет о бактериальных клетках рода Desulfobulbus, образующих нитевую структуру и живущих на границе с высоким значением градиента растворенного кислорода [35]. Бактерии данного типа относятся к анаэробам (окисление органических веществ — сероводорода — происходит в бескислородных условиях) и обитают в придонных слоях водоемов. Сообщество бактерий представляет собой нити, располагающиеся вертикально. Ориентировочно длина одиночной нити составляет величину 1-2 см при среднем диаметре нити около 1-5 мкм. Часть нити, которая находится вверху, живет в условиях с избытком кислорода. Субстрата для окисления — сероводорода — у них мало или вовсе нет. Часть нити, которая обращена вниз, находится в обратных условиях — в среде имеется высокая концентрация окисляемого субстрата — сероводорода, но мало или нет кислорода для его окисления. В результате бактерии, объединенные в нити, представляют собой электрокабели, по которым непрерывно транспортируются электроны в направлении "снизу- вверх". Электроны образуются в нижней части нити при окислении сероводорода. По каждой цепочке бактерий они транспортируются вверх, где участвуют в реакции восстановления кислорода.

Анализируя эту ситуацию, можно отметить, что данный тип структуры объединенных бактериальных клеток представляет созданный природой совершенный тип БТЭ:

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 191 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

• бактерии объединены в структуру, осуществляющую функции БТЭ — энергию химических связей преобразуют в электрическую,

• отсутствуют проблемы, связанные с

иммобилизацией клеток на электродах для

передачи заряда,

• отсутствуют проблемы использования

медиаторов,

• нет необходимости использования ион-селективных мембран для разделения зарядов,

• нитевая структура должна иметь высокую степень механической прочности,

• сформированы условия для сохранения

электрической изоляции такого "электрокабеля". Представляется практически важной задачей

выполнение моделирования условий и разработки технологии получения таких нитей искусственным путем или использование природных структур, чтобы формировать БТЭ, основанные на объединенных бактериальных клетках рода Desulfobulbus.

3. РАЗРАБОТКА БИОАНОДА ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ТЕРМОРАСШИРЕННОГО ГРАФИТА

Целью работы являлась разработка биоанода топливного элемента на основе мембранных фракций бактерий G. oxydans, иммобилизованных на поверхности электродов из терморасширенного графита (ТРГ) при окислении этанола и исследование его нагрузочных характеристик.

В биотопливных элементах осуществляется прямое превращение химической энергии соединений в электрическую энергию. Для разработки БТЭ на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов или ферментов важен выбор материала электрода. Электроды для БТЭ должны обладать целым рядом уникальных свойств. Они должны обеспечивать хорошую электропроводность, химическую стойкость, биосовместимость, высокую удельную поверхность, а также возможность технологической обработки, включая, армирование и введение в композитные материалы. Достаточно перспективными в этом отношении являются наноуглеродные графеноподобные материалы, например, терморасширенный графит.

При производстве ТРГ окисляется исходный кристаллический графит. Окисление сводится к внедрению молекул и ионов серной или азотной кислоты в присутствии окислителя (перекись водорода, перманганат калия и др.) между слоями кристаллической решетки графита. Полученный окисленный графит отмывается и сушится. Потом окисленный графит подвергается очень специфической термообработке

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

192

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

НАНОСИСТЕМЫ

— высокоскоростному нагреву со скоростью 400-600°С/с. Благодаря чрезвычайно высокой скорости нагрева происходит резкое выделение газообразных продуктов разложения внедренных интеркалятов из кристаллической решетки графита. В результате межслойное расстояние резко увеличивается, и маленькая чешуйка графита становится волокном. Из-за волокнистой структуры терморасширенный графит хорошо прессуется, формуется, прокатывается и армируется различными присадками для получения изделий.

В настоящей работе в качестве материала электродов впервые использовался наноуглеродный материал — графеноподобный терморасширенный графит [36]. Технологии терморасширения интеркалированных графитовых частиц и получение высокопористых электропроводящих материалов с хорошо развитой поверхностью относятся к нанотехнологическим процессам. На рис. 4 видно, что графитовые частицы под воздействием температуры расщепляются практически до графеновых слоев.

Слоисто-волокнистая структура ТРГ позволяет прокаткой на вальцах получать листовой материал с высокой проводимостью. За счет уплотнения пористого исходного образца при изменении зазора между валками вальцов и сдвиговых напряжений, возникающих при вращении валков, формируется достаточно плотная структура листового материала из ТРГ.

Экспериментально исследовалась температурная зависимость электропроводности полученного листового материала из ТРГ. Образец для исследования представляет собой пластину шириной 22 мм, толщиной 0.35 мм. Измерение сопротивления производилось по двухэлектродной схеме цифровым вольтметром. Поддержание температурного режима осуществлялось посредством муфельной печи МИМП-3П, а образец помещался в измерительную ячейку с никелевыми трубчатыми электродами на керамическом основании. Показано, что плоскостные электроды на основе ТРГ обладают хорошими

8,5 ■ 8,0' 7,5' 7,06,5 6,0'

г 5-5'

0 5,0' аГ 4,5 •

1 4,0,

й 0,4'

О 0,3' 0,2 ■ ОД 0,0-

• Г) ТРГ —□— Нагревание —О— Остывание

■

- O-J Ал, ,

■ ’Я

•

*

■ CtoT_

•

- -5-1! Л

—q r-V А

■

Проводники

• —Л— Нагревание Остывание

■ V

50

100

150

200

250

300

Температура, С

Рис. 5. Сравнительная температурная зависимость электропроводности полученного листового материала из ТРГ и материала подводящих электродов. термомеханическими свойствами и достаточно низкой электропроводностью (рис. 5).

Таким образом, терморасширенный графит является материалом, обладающим хорошей электрической проводимостью, высокой

удельной площадью поверхности до 2000 м2/г, биосовместимостью, химической устойчивостью в агрессивных средах и может долгое время находиться в технической эксплуатации [37]. Эти качества позволяют обеспечить при иммобилизации на поверхности электрода из ТРГ высокую поверхностную концентрацию бактерий или их мембранных фракций. ТРГ дает также возможность формировать электроды различной формы простой методикой прессования. Данный подход является оригинальным, т.к. до настоящего времени в литературе неизвестны работы, в которых использовался ТРГ в комбинации с биоматериалом.

В микробных и ферментных БТЭ могут применяться редокс-медиаторы, которые

осуществляют электронный перенос от биокатализатора на электрод [38]. Для ряда ферментов [39-42] показан безмедиаторный биоэлектрокатализ. В значительной степени безмедиаторный/

Рис. 4. Микрофотография структуры ТРГ на различных масштабах.

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

прямой перенос электронов зависит от типа фермента и способа его иммобилизации. Так, прямой перенос электронов был описан для PQQ (пирролохинолинхинон)-зависимых дегидрогеназ в составе ферментных биосенсоров и биотопливных элементов [43]. Впервые прямой биоэлектрокатализ для PQQ-зависимой фруктозодегидрогеназы бактерий Gluconobacter при окислении фруктозы был исследован в [40]. Фермент фруктозодегидрогеназы был иммобилизован на электродах, изготовленных на основе углеродной пасты. Отклик на фруктозу регистрировался без добавления медиаторов электронного транспорта. В работе [41] обнаружен прямой безмедиаторный биоэлектрокаталитический эффект для PQQ-зависимой лактатдегидрогеназы Gluconobacter sp. 33 на золотом электроде и электродах, полученных методом матричной печати. В

[42] представлена электрохимическая ячейка, использующая в качестве рабочего электрода графитовый стержень с иммобилизованной PQQ-зависимой алкогольдегидрогеназой (АДГ) штамма Gluconobacter sp. 33. Для данного фермента наблюдалось безмедиаторное электрохимическое окисление этилового спирта. АДГ иммобилизовалась на графитовом стержне путем кросс-сшивки глутаровым альдегидом. Максимальное напряжение БТЭ в присутствии этанола при разомкнутой цепи, составляло 115 мВ при использовании в качестве второго электрода графитового стержня с неактивной АДГ. Трехэлектродная схема использовалась для регистрации амперометрического сигнала при +400 мВ по отношению к электроду сравнения.

Также безмедиаторный перенос электронов был показан для таких микроорганизмов как Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila, Clostridium, Geobacter

[43] . Ранее было установлено, что бактерии рода Geobacter могут осуществлять перенос электронов на графитовых электродах [44]. В работе [45] показано, что Geobacter sulfurreducens может эффективно передавать электроны не только на графитовых электродах, но и при использовании в качестве анода золотого электрода. На аноде наращивалась биопленка G. sulfurreducens, а электродом сравнения являлся Ag/ AgCZ-электрод, где в качестве вспомогательного электрода использовалась графитовая ткань. При использовании в качестве анода золотого электрода плотность тока составила 688 мА/м2, а при использовании графитовой ткани- 3147 мА/м2.

Актуальной задачей является выяснение возможности использования в качестве анодного биокатализатора для БТЭ мембранных фракций (МФ) микробных клеток, содержащих PQQ-зависимые дегидрогеназы. В ряде последних работ

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 193 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

наблюдался эффект прямого переноса электрона от PQQ-зависимой глюкозодегидроргеназы,

иммобилизованной на многостенных углеродных нанотрубках [46, 47, 48]. Эти данные являются основой для предположения о том, что использование биокомпозита ТРГ/МФ могло бы обеспечить безмедиаторный катализ электроокисления. ТРГ имеет высокую эффективную поверхность и в этом смысле аналогичен нанотрубкам, с другой стороны МФ по сути представляют фрагменты мембран, обогащенные PQQ-зависимыми дегидрогеназами.

В качестве тестового субстрата был выбран этанол, эффективное окисление которого МФ было продемонстрировано в [47, 48]. Отметим, что в отличие от дорогостоящих и сложных методик получения и очистки ферментов при получении МФ используется более простая методика, в связи с чем,

МФ могут являться альтернативой использованию ферментов в БТЭ.

3.1. РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТА БИОАНОДА

Штамм бактерий Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280 был получен во Всероссийской коллекции микроорганизмов ИБФМ РАН. Интактные клетки или их мембранные фракции (МФ выделялись в соответствии с методикой [47, 48]) иммобилизовались путем включения в гель хитозана на поверхности ТРГ-электрода. Для этого на электрод наносилось 20 мкл МФ или интактных клеток, разбавленных в 2 раза буферным раствором. Электрод сушился при комнатной температуре, на него наносилось 20 мкл 2%-го раствора хитозана в 1%-й уксусной кислоте [49] и затем он сушился при комнатной температуре в течение 30 мин.

Синтез ТРГ осуществлялся по гидросульфатной технологии [36]. Процесс получения ТРГ включал три основные стадии:

1) образование соединения внедрения (гидросульфата графита) при перемешивании малозольного графита (ГСМ-1) в течение 30 мин со смесью концентрированных азотной и серной кислот при их соотношении 10:1 в течение тридцати минут. Частицы графита модифицировались смесью серной и азотной кислот. Это обеспечивало интеркалирование с внедрением в межслоевое пространство частиц графита молекул интеркалята;

2) промывка соединений внедрения графита водой от остатков кислот до рН ~ 6.8 и последующую сушку окисленного графита до сыпучего состояния;

3) терморасширение окисленного графита при термоударе 800-900°С с получением ТРГ.

При нагревании такого порошка происходит разрушениепластинчатойструктурыграфитаипереход

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

к слоисто-волокнистой структуре расширенного графита. Полученный графеноподобный ТРГ имел насыпную плотность Pb = 16 г/л. Элементный анализ показал, что в качестве примеси ТРГ содержит до 0.5% серы. Методом растровой электронной микроскопии с разрешением до 100 нм наблюдается явно выраженное слоисто-волокнистое строение графитового материала (рис. 4).

Насыпнаяплотностьпорошкатерморасширенных графитов может меняться в довольно широких пределах в зависимости от режима терморасширения. Экспериментально исследовалась насыпная плотность ТРГ, которую определяли взвешиванием в объёме 15 мл после нагрева при температурах 200, 220, 250 (± 5°С) в течение 10 минут. Было показано, что с увеличением температуры нагрева графитовых частиц величины насыпной плотности ТРГ уменьшались, и, соответственно температурам нагрева, равнялись 116-113, 46-42, 36-33 г/л [36.]

Рабочие электроды из ТРГ формировали путем прессования порошка ТРГ при давлении 150 бар. Диаметр измерительного электрода составлял 12 мм, толщина—0.2 мм. Циклические вольтамперограммы записывали с использованием 3-х электродной схемы при скорости сканирования потенциала 3 мВ/с. Электродом сравнения являлся стандартный хлор-серебряный электрод, а вспомогательным электродом была платиновая пластина площадью 1.8 см2. Хронопотенциометрические измерения проводились путем измерения стационарного потенциала рабочего электрода во времени относительно электрода сравнения. Измерения выполнялись в 30 мМ растворе калий-натриевого фосфатного буфера (рН 6.0). Субстратами являлись этанол, глюкоза или ацетальдегид (ДиаЭм, Россия). Использовалась только одна концентрация субстратов в рабочем электролите, составляющая 10 мМ (если не указано особо). В ряде экспериментов в качестве редокс-медиатора использовались 2,6-дихлорфенолиндофенол в концентрации 8 мкМ (ДХФИФ, Sigma-Aldrich). Измерения проводились на гальванопотенциостате VersaSTAT4 (Ametek Inc.).

В реакции окисления этанола амперометрическим методом определялась дыхательная активность МФ. Иммобилизация МФ осуществлялась физической сорбцией на фильтрах из стекловолокна (тип GF/A, Whatman, Великобритания). Для этого 5 мкл суспензии МФ, содержащей биомассу в концентрации 100 мг сырого веса/мл, наносились на фильтр и подсушивались при комнатной температуре в течение 20 мин. Мембрана с биорецептором размером 3x3 мм2 фиксировалась на измерительной

поверхности кислородного электрода типа Кларка (Ingold, Германия). Дыхательная активность МФ была обусловлена участками дыхательной цепи клеточной мембраны, сопряженной с кластерами PQQ-зависимых дегидрогеназ. Амперометрические измерения проводились в открытой кювете объемом 2 мл. Использовались гальваностат-потенциостат IPC2L (ООО «Кронас», Россия), сопряженный с персональным компьютером. При измерениях в кювету, содержащую буферный раствор и кислородный электрод, вносились пробы этанола объемом 100 мкл, содержащие субстрат в различных концентрациях. Регистрируемым параметром являлась максимальная скорость изменения сигнала (нА/с).

Для получения снимков с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) на поверхность электрода с клетками и МФ напылялся тонкий слой золота. Напыление осуществлялось в вакуумно-напылительной установке JFC-1100 (JEOE, Япония). Электронно-микроскопический анализ образцов проводились с помощью СЭМ JSM-6510 LV (JEOE, Япония).

3.2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

При формировании рабочего электрода БТЭ необходимо провести иммобилизацию клеточного материала на поверхности объемного электрода и максимально заполнить его пористую часть. Вид целых клеток G. oxydans и их МФ, иммобилизованных на ТРГ, приведен на рис. 6.1 и 6.2, соответственно; изображения получены с помощью СЭМ. Концентрация клеток для иммобилизации была выбрана такой, чтобы они формировали фактически монослой с незначительными просветами. В местах просветов видна чешуйчатая структура ТРГ, спрессованного в результате формирования электрода (рис. 6.1). МФ, являясь значительно более мелкими структурами по сравнению с клетками, формировали практически сплошное покрытие ТРГ-электрода (рис. 6.2).

Поскольку мембранные фракции бактерий G. oxydans представляют собой фрагменты дыхательной

Рис. 6. Вид целых клеток G. oxydans (6.1) и их МФ (6.2), полученный сканирующей электронной микроскопией. Иммобилизованный биоматериал покрыт слоем хитозана.

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 195

НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рис. 7. Зависимость отклика кислородного электрода от концентрации этанола в присутствии мембранных фращий бактерий G. oxydans. цепи, для характеристики их каталитической активности в реакции окисления этанола использовался кислородный электрод типа Кларка. Из зависимости скорости окисления этанола от его концентрации (рис. 7) в реакционном растворе были рассчитаны кажущиеся значения Кмб££ (константа Михаэлиса) и Vmeff (максимальная скорость реакции), которые составляли величины 2.8±0.7 мМ и 2.5±0,3 нА/с, соответственно.

На рис. 8 представлены зависимости потенциала от времени, зарегистрированные для биоанода с иммобилизованными МФ при добавлении в рабочий электролит этанола, ацетальдегида или глюкозы. Видно, что при внесении этанола в среду, содержащую измерительный электрод, стационарный потенциал биоанода сдвигается в область отрицательных значений потенциала. Через 1200 с после добавления этанола изменение потенциала рабочего электрода от исходного значения составляло около 50 мВ. Данный эффект является свидетельством того, что в МФ бактерий G. oxydans содержится

Рис. 9. Изменение стационарного потенциалаМФ/ТРГ-электрода от концентрации этанола в рабочем буферном растворе. фермент (Р^^-зависимая алкогольдегидрогеназа),

катализирующий электроокисление этанола по механизму безмедиаторного биоэлектрокатализа. При внесении ацетальдегида или глюкозы происходили лишь незначительные изменения потенциала.

На рис. 9 приведена зависимость изменения стационарного потенциала МФ/ТРГ-электрода в зависимости от различных концентраций этанола. Максимальное значение измеряемого потенциала достигалось при 10 мМ концентрации этанола в рабочем электролите. Дальнейшее увеличение концентрации не приводило к росту изменения потенциала.

На рис. 10 приведены циклические вольтамперограммы (ЦВА), зарегистрированные измерительным электродом с иммобилизованными МФ. Видно, что в присутствии этанола анодный ток увеличивается по сравнению с контролем, в отсутствии медиатора. Наблюдаемое увеличение анодного тока являлось не слишком значительным, что может быть связано с относительно невысокой концентрацией

Рис. 8. Зависимости стационарных потенциалов от времени для ТРГ-электродов с иммобилизованными МФ при добавлении в электролит этанола, ацетальдегида, глюкозы.

О

/

XV-'-''''

1

E(Ag/AgCI), мВ

Рис. 10. ЦВА, записанные для ТРГ-электрода с иммобилизованными МФ в 30 мМ калий-натрий-фосфатном буферном растворе, рН 6.0 (1), и в присутствии 10 мМ этанола (2).

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

НАНОСИСТЕМЫ

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

электрокаталитически активных центров на поверхности электрода. Это может быть также обусловлено низкой эффективностью электронного транспорта между биокатализатором и электродом.

Другим вариантом сопряжения биохимической и электрохимической реакций является медиаторный способ. В качестве редокс-медиатора был использован ДХФИФ, являющийся эффективным акцептором электронов в различных биохимических процессах. Кроме того, стандартный редокс-потенциал пары ДХФИФвосст/ДХФИФок составляет +0.217 В, что позволяет проводить биоэлектрохимическую реакцию окисления этанола при относительно низких значениях потенциала электрода в аэробных условиях. При добавлении в буферный раствор ДХФИФ и этанола для биоанода, модифицированного МФ, катодное изменение стационарного потенциала в отсутствие субстрата составило 120 мВ.

На рис. 11 приведена ЦВА для биоанода с иммобилизованными МФ в буферном растворе (контрольное состояние) и в растворе, содержащем этанол и ДХФИФ. Видно, что в присутствии редокс-медиатора на циклических вольтамперограммах, начиная с нулевого потенциала, наблюдается значительное увеличение анодного тока по сравнению с контрольным состоянием, что указывает на медиаторный биоэлектрокаталитический механизм окисления этанола.

В работе был реализован также вариант биоанода на основе ТРГ с иммобилизованными интактными клетками G. oxydans. В предварительных экспериментах было показано, что в отсутствие медиатора при добавлении этанола в раствор электролита не проходило никаких изменений 2

Рис. 11. ЦВА, записанные для ТРГ-электрода с иммобилизованными МФ в 30 мМ калий-натрий-фосфатном буферном растворе, рН 6.0 (1) и в присутствии ДХФИФ (8 мкМ) и этанола (10 мМ) (2).

стационарного потенциала биоанода. Это было связано с отсутствием безмедиаторного транспорта электронов от субстрата-донора (этанола) на электрод с участием иммобилизованных интактных клеток. Поэтому для усиления биоэлектрохимической реакции окисления этанола в реакционную систему вводили редокс-медиатор ДХФИФ. При внесении в реакционный электролит редокс-медиатора и этанола изменение потенциала электрода составляло 160 мВ от исходного значения. ЦВА, зарегистрированные для биоанода из ТРГ с иммобилизованными интактными клетками в буферном растворе и в присутствии редокс-медиатора и этанола приведены на рис. 12.

Таким образом, впервые показана принципиальная возможность создания биоанода топливного элемента на основе терморасширенного графита и иммобилизованных мембранных фракций бактерий

G. oxydans, являющихся биоэлектрокатализаторами реакции окисления этилового спирта. Мембранные фракции, иммобилизованные на ТРГ-электроде, позволяют осуществить безмедиаторное

биоэлектрокаталитическое окисление этанола на электроде, однако скорость процесса невысока. Редокс-медиатор 2,6-дихлорофенолиндофенол значительно увеличивает скорость биоэлектрохимической реакции с участием иммобилизованных МФ, а также позволяет проводить электроокисление этанола с использованием иммобилизованных интактных клеток.

4. ПРИМЕНЕНИЕ ГРАФЕНА В БИОТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

В настоящее время к графену (Гр) проявляется большой интерес в различных областях наук, в том числе и в биологии, биотехнологии. Гр представляет собой двумерный наноматериал, обладающий

0.04 -------------------------:----

-0.03 ------i-------i-------i---------i------i-------

-100 0 100 200 300 400 500

E(Ag/AgCI), мВ

Рис. 12. ЦВА, зарегистрированные для ТРГ-электрода с иммобилизованными интактными клетками в 30 мМ калий-натрий-фосфатном буферном растворе, рН 6.0) - (1) и в присутствии ДХФИФ (8 мкМ) и этанола (10 мМ) — (2).

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

высокими электрической проводимостью и

механической прочностью, рядом других свойств, ценных при конструировании электронных устройств. Обнаружено, что Гр хорошо совместим с биоматериалом, что позволяет использовать его при формировании биосенсоров и биотопливных элементов — устройств, в которых биокатализатор превращает энергию окисления органических субстратов/биотоплива в электрическую энергию. Гр можно использовать для приготовления

высокоструктурированных электродных поверхностей, которые благодаря высокому отношению площади поверхности к объему позволяют производить иммобилизацию значительного количества биокатализатора, что, в принципе, может приводить к получению высокой выходной электрической мощности БТЭ. Принимая во внимание, что и тематика Гр, и тематика БТЭ в настоящее время являются интенсивно развиваемыми направлениями исследований, в настоящей работе рассматривается современное состояние вопроса об использовании Гр в БТЭ, в которых в качестве биоматериала применяются ферменты и микробные клетки. Фактически вопрос, на который исследователи различных групп хотели бы получить ответ, может звучать так — действительно ли требуется использовать Гр вместо хорошо известных и положительно зарекомендовавших себя нанотрубок или металлонаночастиц.

Графен — это одиночный слой .^-углерода, состоящий из конденсированных шестичленных колец. Материал, состоящий из двух таких слоёв, достаточно сильно отличается по физическим характеристикам от однослойного графена, не говоря уже о большем числе слоёв. Ещё большее отличие наблюдается у более «толстых» чешуек.

Для удобства изложения будем пользоваться следующими обозначениями: Гр — графен (без указания количества слоев); Гра — графит; ВОПГ — высокоориентированный пиролитический графит; нГра — нанодисперсный графит; ПГра — пенографит, ИСГра — интеркалированные соединения графита, ГраО — оксид графита; 1сГраО — однослойный оксид графита, мсГраО — многослойный оксид графита, восГраО (RGO) — восстановленный оксид графита (1 однослойный или многослойный); 1сГр — однослойный графен, мсГр — многослойный графен (пластинки графита толщиной в несколько графеновых слоёв), ХМГ — химически модифицированный графен (графен, содержащий заместители (Н, F и др. и/или функциональные группы).

Физические свойства графита

Свободный углерод в природе встречается в двух основных видах: алмаз и графит, а среди

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 197 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

синтетических видов следует отметить карбин, фуллерен, нанотрубки, пиролитический графит и др. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углеродного атома принимать тетраэдрическую ръ — (алмаз), тригональную p — (графит, графен, фуллерен, нанотрубки) или линейную sp — (карбин) гибридизации [50, 51].

Обычный графит представляет собой пластинчатую массу с металлическим блеском, обладающую различной степенью кристалличности и упорядоченности; отдельные частички могут выглядеть почти как совершенные кристаллы. Наиболее часто в лабораторных исследованиях используют пиролитический графит, который получают разложением углеводородов на графитовом субстрате при температуре выше 2000°С Для повышения регулярности в кристалле используют рекристаллизацию, подразумевающую горячее прессование под одноосевым давлением 300500 кг/см2 при 3000°С. Таким способом получают образцы толщиной более 10 мм и плотностью 2.27 г/см3, что составляет 99,95% от теоретической плотности графита. Последующий отжиг материала при 3400-3500°С приводит к получению высокоориентированного пиролитического графита.

Химические свойства графита

Графит весьма инертен при нормальных условиях. Окисляется кислородом воздуха до СО при температуре выше 400°С, а до СО2- при температуре выше 500°С. Температура начала реакций тем выше, чем совершеннее кристаллическая структура графита. Окисление ускоряется в присутствии ионов железа, натрия, меди и других металлов, замедляется в присутствии молекул хлора, соединений фосфора и бора. С молекулярным азотом графит практически не реагирует, с атомарным при обычной температуре образует цианоген C2N2. Галогены внедряются в кристаллическую решетку графита, давая соединения внедрения. С большинством металлов и их оксидов графит дает карбиды. Со всеми щелочными металлами, некоторыми галогенидами, оксифторидами, галогеноксидами, оксидами и сульфидами металлов образует соединения внедрения, с нитридами металлов при температуре выше 1000°С — твердые растворы нитридов и карбидов, с боридами и карбидами — эвтектические смеси с температурами плавления 1800-3200°С.

Ковалентные соединения графита и интеркалированные соединения графита

Благодаря слоистой структуре некоторые атомы, ионы и молекулы способны внедряться в межплоскостное пространство графита. В результате образуются

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

НАНОСИСТЕМЫ

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

так называемые ковалентные соединения графита (КСГра) и интеркалированные соединения графита (ИСГра). К КСГра относятся фторид графита и оксид графита — ГраО. При образовании КСГра происходит частичный переход атомов углерода из sp2- в Д3-гибридное состояние и как следствие деформация плоских углеродных сеток [53].

Так, оксид графита, в котором еще сохраняется развитая сеточная структура, представляет собой наиболее окисленное соединение графита. Химические способы получения оксида

графита основаны на окислении графита в концентрированных кислотах (азотной, серной) такими сильными окислителями как KMnO4, KClO , (NHJ2S2Og, MnOи др. [54]. Более низкая скорость образования оксида графита по сравнению со скоростью образования ИСГра свидетельствует о многочисленных нарушениях С-С связей внутри каждой углеродной гексагональной сетки.

Атомы углерода в Гр соединены sp2 связями в гексагональную двумерную (2D) решетку. С материаловедческой точки зрения однослойный Гр — это вещество, более того, это отдельная молекула. С химической точки зрения однослойный Гр — это полимер.

Получение графена и его аналогов из окисленного графита В связи с не очень удачными первоначальными попытками получать графен прямым

диспергированием графита, более перспективным оказалось диспергирование производных Гра, в которых взаимодействие между слоями ослаблено. В качестве таких производных Гра известны ГраО, ИСГра и ПГра. Чаще всего Гр получают, используя ГраО. В свою очередь ГраО, открытый еще в 19 веке, задолго до открытия самого Гр, получают тремя методами: 1) методом Броди [55], 2) методом Штауденмайера [56] и 3) методом Хаммерса [57]. Все три метода включают стадию обработки Гра сильными кислотами и окислителями.

На основе ГрО, растворимость (диспергируемость) которого в воде и других растворителях высока, осуществляют процедуру нанесения тонких пленок, обладающих потенциалом применения в электронике. Окисленный Гр является изолятором, однако его электронными характеристиками можно управлять в определённых пределах путём изменения степени окисления. Помимо изменения геометрии чешуек, свойства окисленного Гр определяются природой и соотношением кислородсодержащих функциональных групп — карбоксильных, гидроксильных или эпоксидных. ГраО, в котором еще сохраняется развитая сеточная структура, представляет собой наиболее окисленное

соединение Гра. Более низкая скорость образования ГраО, по сравнению со скоростью образования ИСГ, свидетельствует о многочисленных нарушениях С=С связей внутри каждой углеродной гексагональной сетки. Наблюдения, выполненные с помощью сканирующей электронной микроскопии, показали, что ГраО обладает шероховатой поверхностью со средней высотой неоднородностей 0.6 нм и аморфной структурой, обусловленной большим количеством sp3 C-O связей [58].

В настоящее время не существует единственной формулы для ГраО, т.к. состав этого соединения определяется условиями синтеза и природой исходного графита. Часто ГраО приписывают формулу СО (ОН) причем кислород находится в карбоксильных, гидроксильных, кетонных, эпоксидных и других О-содержащих группах, которые определяют кислотно-основные свойства ГраО и его гидрофильность [54]. Межслоевое расстояние в ГраО меняется обратимо от 0.6 до 1.2 нм при увеличении относительной влажности продукта, что может указывать на образование сетки водородных связей между О-содержащими группами. Идеализированная структура однослойного ГраО приведена на рис. 13.

Ряд авторов указывают на то, что гомогенные дисперсии ГраО в водных растворах и органических растворителях могут быть получены при простой обработкеГраОультразвуком(УЗ) [60].Гидрофильный ГраО диспергируется в воде с максимальной концентрацией в 3 мг/мл, образуя коричневые и темно-коричневые дисперсии. Диспергирование ГраО в различных органических растворителях, таких как этиленгликоль, диметиформамид (ДМФА), АГ-метилпирролидон позволяет получать дисперсии с концентрацией ГраО около 0.5 мг/мл [61].

Наличие большого числа функциональных групп, как правило, гидрокси- и эпокси-, позволяет стабилизовать чешуйки ГраО в воде. Однако такая функционализация разрушает делокализованную электронную п-систему графена. ГраО фактически становится в большей степени изолятором, чем полуметаллом и в этом его принципиальное отличие от графена [62]. Показано, что под действием мощного УЗ облучения ГраО распадается на фрагменты, из которых в дальнейшем путем самосборки образуется

W (6)

соон

соон соон

Рис. 13. Строение оксида графита: а) вид сврху идеализированной структуры одного слояГрсО б) вид сбоку модели однослойного ГраО[59].

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

фуллерен и его аналоги, углеродные нанотрубки и высокомолекулярные продукты конденсации [63].

Химическая модификация О-содержащих групп в ГраО различными реагентами (например, изоцианатами) приводит к образованию соответствующих производных и повышению концентрации гомогенных дисперсий в органических растворителях [64].

Восстановление окисленного графена

Для получения Гр из однослойного ГраО последний необходимо восстанавливать—удалить О-содержащие группы и восстановить систему С=С связей. Процесс можно проводить низкой температуре ~180°С с использованием в качестве восстановителей таких растворителей как ДМФА, этанол, бутанол и др. Протекание реакции фиксируется по изменению окраски дисперсии. Показано, что ГраО можно эффективно восстанавливать простым длительным (больше 24-х часов) нагреванием при 220°С и даже при 100°С в воде или нагреванием в течение 1 час при 180°С в ДМФ [65].

Для повышения растворимости восстановленного ГраО получение продукта проводят в три стадии: 1) восстанавливают кислородсодержащие группы ГраО в растворе NaBH4, 2) арилируют продукт восстановления действием пара-сульфоарил диазонивой солью и 3) проводят повторное восстановлением гидразином для удаления оставшихся кислородсодержащих групп. Такой сульфированный восстановленный ГраО устойчив в воде в области pH = 3-10 при концентрации 2 мг/мл. Для тех же целей можно использовать, как показано в работе [66], ряд производных целлюлозы (сульфо-, карбоксиметил- или карбоксипропил производные).

В работе [67] в качестве восстановителя предложено использовать витамин С, а в качестве стабилизатора — аминокислоты.

Эксперименты показали, что восстановленный ГраО не эквивалентен Гр; иными словами, полностью восстановить ГраО до Гр не удаётся. Так, продукты, полученные при восстановлении ГраО, содержат значительные количества кислорода и, возможно, дефектов, которые разрушают делокализованную п-систему графена и существенно снижают электронные характеристики. Из органической химии ароматических соединений (к которым формально относится однослойный Гр) известно, что ряд О-содержащих групп не восстанавливаются приведёнными выше восстановителями. В подтверждение этого, расчеты показали, что восстановление менее 6.25% площади ГраО затруднено ввиду сложности удаления гидроксильных групп. Для этих исследований использовалась модель

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 199 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ГраО, содержащая гидроксильные и эпоксидные группы, и атомное отношение С/O = 16 [68].

Казалось бы, термические методы восстановления проще по исполнению, однако и они приводят к аналогичным результатам — кислород сохраняется в конечном продукте [69]. В то же время показано, что прокаливание образцов восстановленного ГраО [70] открывает возможности полной реставрации сетки sp2 связей шестичленных колец. Восстановление ГраО показало по данным электронной микроскопи, что чешуйки восстановленного ГраО состоят из островков графена размером от 1 до 6 нм, разделенных дефектными кластерами, образующими плоские квазиаморфные области с sp2 связями С-С; кроме того, они содержат большое число топологических дефектов. На этой основе предложен следующий сценарий окисления-восстановления графита. Первоначально, при окислении локально образуются сильно окисленные области, в то время как 60% поверхности остается неизменной. После восстановления неизменные области остаются неизменными, а окисленные области реставрируются до sp2 связанных сеток, которые, тем не менее, теряют (не восстанавливают) исходную кристалличность (упорядоченность) графена. В структуре образуются разупорядоченные области, так называемые топологические дефекты, поэтому восстановленный графен обычно отличают от однослойного графена и в англоязычной литературе обычно обозначают RGO. Электропроводность восстановленного графена в 10 или более раз ниже, чем исходного графена [71].

В работе [72] методом атомной силовой микроскопии было показано, что строение восстановленных чешуек оксида графена существенно отличается от графена, полученного механическим отшелушиванием. Будучи осажденными на гладкую поверхность высокоориентированного графита они имеют неплоскую глобулярную морфологию, свидетельствующую об искажениях углеродного скелета. Ещё более определённо искажения структуры были обнаружены в работе [73], где чешуйки ГраО были восстановлены тремя методами: водным гидразином, действием пучка электронов или нагреванием при температуре 300-600°С. Во всех случаях, как указывают авторы, были получены сильно разупорядоченные графеновые наночешуйки. В [71] изучены механические и электрические характеристики чешуек подвешенного восстановленного ГраО. Показано, что механические свойства (эластичность, упругость) практически не отличаются от однослойного графена, в то время как электропроводность существенно снижена

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

НАНОСИСТЕМЫ

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

и находится на уровне обычной металлической проводимости. В подтверждение этого показано, что локальные электрофизические характеристики чешуек восстановленного ГраО отличаются от свойств однослойного графена [74]. Таким образом, наличие большого числа дефектов существенно снижает электрическую проводимость этих материалов, однако делает их пригодными в качестве материалов для стабилизации ионов Li в суперконденсаторах.

Для идентификации Гр чаще всего используют спектроскопию кругового рассеяния [75] и атомносиловую микроскопию [76], реже — сканирующую туннельную микроскопию [77].

4.1. ПРИМЕНЕНИЕ ГРАФЕНОВОГО НАНОМАТЕРИАЛА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ БТЭ

Одна из основных задач развития промышленности в настоящее время состоит в том, чтобы минимизировать финансовые затраты и снизить экологическую нагрузку, которые сопровождают всеобщий рост вложений в производство пищи и энергии. Перспективный способ решения проблемы в области энергии состоит в том, чтобы научиться получать ее с помощью биокатализа — изолированные ферменты или микробные клетки являющиеся биокатализатором, обеспечивают выработку электроэнергии в устройствах БТЭ [78].

Подобно стандартному химическому элементу электрического питания — батареям, аккумуляторам и т.д., в состав БТЭ входят два электрода, анод и катод. Биокатализатор содержится в отделении анода, в которое подаются субстраты или топливо. Субстрат окисляется биокатализатором анода, освобождающиеся электроны поступают на поверхность анода. По внешней электрической цепи электроны перемещаются на другой электрод-катод, который также содержит биокатализатор, обеспечивающий восстановление кислорода [2].

Каталитическая активность иммобилизованного биоматериала является наиболее важным фактором, обеспечивающим генерацию электрической энергии в БТЭ. При этом существенным является также вопрос его иммобилизации — на какой материал электрода произведена иммобилизация, какой тип биоматериала использован, каким образом переносится заряд на(от) электрод(а). Передача электронов на анод и от катода может осуществляться двумя путями — с помощью переносчика, т.е. медиатора, и за счет прямого транспорта (ПТ). Соответствующий тип и фиксация биоматериала, тип материала анода и катода могут обеспечить как медиаторный, так и ПТ электрона на(от) электрод(а). ПТ позволяет получить более эффективные БТЭ, 2

поскольку при этом упрощается конструкция элемента, снижается его внутреннее сопротивление, не требуется использование дополнительных соединений в качестве медиаторов. Этот момент является особо важным и следует отметить, что в последнее время описано значительное число проводящих наноматериалов, с помощью которых стало возможным осуществление ПТ. Впервые ПТ был описан для фермента лакказы в 1979 г. [79]. Через некоторое время был сделан следующий шаг по использованию нанопроводников и в практику был введен фуллерен — нульмерный материал [80] и одномерный материал — нанотрубки [81].

После описанного способа получения препаратов Гр в лаборатории А.Гейма и К.Новоселова [81], поток исследований был направлен на изучение возможности использовать двумерную структуру для иммобилизации редокс-ферментов. Сразу после того, как было показано, что Гр имеет высокое значение электронной проводимости и относительно легко производится, значительно вырос поток исследований, направленный на попытки его применения для конструирования биоэлектродов [83]. Гр можно было получать механическим способом путем снятия слоев графита либо химическим путем — методом осаждения из газовой фазы; графеновые материалы получают химическим синтезом. Оксиды Гр имеют высокую растворимость в воде, поскольку содержат в плоскости участки с атомами кислорода и гидроксила (рис. 14).

Восстановление Гр может осуществляться термически, химически или электрохимически, а кроме того и биологически, например с помощью микроорганизмов [84]; восстановленный Гр (ГрВ) следует отличать от "чистого" Гр, полученного синтезом. Это связано с тем, что процедура восстановления характеризуется и способом, и степенью очистки материала [85].

Рис. 14. Схематическое представление способов получения Гр и ГрО (оксида графена) [84].

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 201 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Первые успехи использования Гр были получены при конструировании биосенсоров [86]; данные показывали, что Гр может быть эффективно применен для сопряжения с биоматериалом и фактически открывали путь к использованию его в БТЭ. Тем не менее, достаточно удивителен тот факт, что к настоящему времени описано всего лишь считанное количество примеров использования Гр в составе ферментных БТЭ. Совместное использование микробных клеток и Гр изучается более интенсивно; по-видимому такая ситуация обусловлена тем, что в целом общее число публикаций по микробным БТЭ в три раза выше, чем по ферментным БТЭ.

Биотопливные элементы на основе ферментов Данные по БТЭ на основе графена и графеноподобных материалов в сочетании с ферментами и микробными клетками суммированы в Таблице, в которой приведены основные конструктивные и операционные характеристики БТЭ-структур.

Рассмотрим некоторые детали представленных систем.

Прямой и опосредованный медиатором перенос электронов Имеется значительное число публикаций, описывающих особенности каталитических реакций в системах на основе глюкозооксидазы (ГОД), используемой в качестве модельного фермента, и Гр. В 2009 г. были опубликованы первые работы о возможности сопряжения ГОД и Гр [87]; годом позже

появились публикации об использовании ГОД и Гр в составе БТЭ [88]. В качестве катодного катализатора преимущественно применялась лакказа. ГОД содержит флавинадениндинуклеотид, кофактор, окруженный белком и гликановой структурой, ограничивающей эффективный обмен электронами между активным центром белка и поверхностью электрода; таким образом структура фермента создает барьер для условий функционирования биоэлектрода. Следует также отметить, что даже если описан безмедиаторный перенос электронов для биосенсора, содержащего ГОД, то это не означает, что каталитический ток обязательно связан с прямым переносом между кофактором и электродом. Этот эффект может быть результатом неферментной реакции пероксида водорода или кислорода, участвующих в каталитическом цикле ГОД на поверхности электрода [89]. С другой стороны, прямой перенос известен для катодного применения ГОД, когда ток генерируется в процессе восстановления ФАД-кофактора, который затем реокисляется кислородом. Очевидно, что этот случай не является приемлемым для функционирования БТЭ [84].

Данная ситуация, безусловно, позволяет конструировать основанные на ГОД биосенсоры, однако принцип неприменим к созданию БТЭ по следующим причинам: 1) ГОД более эффективно передает электроны на кислород, чем на электроды, о чем можно судить по значению константы переноса электронов; 2) образующийся

Таблица

Конфигурация и характеристики некоторых БТЭ на основе графена и ферментов/микробных клеток

(по данным обзора [84])

Конфигурация и характеристики некоторых БТЭ на основе ферментов

Конфигурация анода Конфигурация катода Напряжение открытой цепи, мВ Максимальная удельная мощность, мкВт/см3 Напряжение при максимальной мощности, мВ Источник

1 ТМОС + ГрХим + ФМ + ГОД на золотом электроде ТМОС гель + ГрХим + АБТС + БО на золотом электроде 580 24.3 380 [33]/43

2 СУЭ/графеновые лепестковые частицы/ГОД/Нафион СУЭ/графеновые лепестковые частицы/Лак + БСА/Нафион =550 58.0 220 [34]/44

3 Золотой электрод/ ГрХим/ФМ + ГОД/ПП Золотой электрод/ ГрХим/АБТС + Лак/ПП 790 78.3 500 [35]/45

4 СУЭ/ГрЭлХим -МУНТ/ГОД/ Нафион СУЭ/ГрХим + платиновые наночастицы + Нафион 400 46 =80 [37]/47

5 СУЭ/(ГрО + ГОД) СУЭ/МУНТ-ZnO/Лак 60 0.054 50 [36]/46

6 Золотой электрод/электро-осаждение (ГрО + Co(OH)2 в Хит) + ГОД Золотой электрод/электро-осаждение (оксид графена/ ^^^/Хит^к 600 517 460 [38]/48

7 Гр/УНТ-COOH/Лак + АБТС в растворе 1200 2270 500 [39]/49

ТМОС- тетраметоксисилан, гелевая форма; ФМ- ферроценметанол; АБТС- 2,2’-азино-бис(3-этилбензотиазолин-6-ульфоновая кислота); БО- билирубин оксидаза; ПП- полипиррол; СУЭ- стеклоуглеродный электрод; Хит- хитозан. ГОД- глюкозооксидаза; Лак-лакказа, БСА- бычий сывороточный альбумин. ГрХим- восстановленный химическим путем оксид графена; ГрЭлХим- восстановленный электрохимическим путем оксид графена; МУНТ- мультистенные углеродные нанотрубки; УНТ-углеродные нанотрубки.

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

НАНОСИСТЕМЫ

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

Таблица (продолжение)

Конфигурация и характеристики некоторых БТЭ на основе графена и ферментов/микробных клеток

(по данным обзора [84])

Конфигурация и характеристики некоторых микробных БТЭ

Конфигурация анода; медиатор; источник углерода Конфигурация катода/конечный акцептор электронов; мембрана Напряжение открытой цепи, мВ Максимальная удельная мощность, мкВт/см3 Напряжение при максимальной мощности, мВ Источник

8 НСС/Химич. восстановл ГрО -ПТФЭ; E. coli, (ГНХ); глюкоза УБ/^(С^6]-3/-4; Нафион --- 267 530 [107]/50

9 УБ/Химич. восстановлен. ГрО/Электронпроводящий полимер; E.coli,(ГНХ);глюкоза УБ/^(С^6]-3/-4; Протонобменная мембрана (ПОМ) =700 87 430 [108]/51

10 УТ/Эл. химич. ГрО; P. aeruginosa; глюкоза УБ/^(С^6]-3/-4; Нафион --- 5.25 460 [109]/52

11 Вакуумно обработанный комплекс "графен-хитозан"; P. aeruginosa; глюкоза УБ/^(С^6]-3/-4; Нафион --- 153 550 [110]/53

12 УБ/оксид графена ; S. oneidensis MR-1; лактат УБ/^(С^6]-3/-4; CMI7000 (ионообменный фильтр) --- 3.4 --- [111]/54

13 Графеновая пена/ПАНИ; S. oneidensis MR-1; лактат ^/[Fe^N^^M; ПОМ =700 77 200 [112]/55

14 УБ/Е-восстан. ГрО; S. oneidensis MR-1; лактат УБ/восстановленный оксид Гр^(С^6]-3/-4; Нафион --- 60 160 [113]/56

15 Ni пена/термически восстановленный оксид Гр; S. oneidensis MR-1; лактат —/[Fe(CN)6]-3/-4; CMI 7000S ионообменный фильтр 620 =80 250 [114]/57

16 Графитовый войлок/Оксид Гр/ ПП; S. oneidensis MR-1; лактат УВ^^^М; Протонобменная мембрана --- 133 =420 [115]/58

17 УБ/Графеновая лента/ПАНИ; S. oneidensis MR-1; лактат УБ/^(С^6]-3/-4 ; Нафион --- 86 = 175 [116]/59

18 УБ/Графеновая лента; микробный консорциум; ацетат УБ/^(С^6]-3/-4; CMI7000 ионообменный фильтр =740 32.6 =530 [111]/54

19 УТ/восстановленный оксид графена-Нафион; анаэробный ил; ацетат Углеродная щетка/ [Fe(CN)6]-3/-4; CMI7000 ионообменный фильтр =660 3.6 Вт/м3 400 [117]60

20 УТ; анаэробный ил; ацетат УТ- ГрВБК/растворенный кислород; Нафион 390 32 200 [118]/61

21 НСС-графен; иловый консорциум; глюкоза УТ-РРрастворенный кислород; AMI-7001, ионообменный фильтр --- 157 --- [119]/62

22 УТ/бактериально-восстановленный графен; анаэробный ил; ацетат УТ-РРвоздушный катод; Протонобменная мембрана =600 191 300 [120]/63

23 УТ/оксид графена; анаэробный ил; ацетат Углеродная щетка/^^^б^ЗМ Протон-обменная мембрана =800 240 520 [121]/64

24 УТ/Эл. химич. восстановлен. ГрО /ПАНИ; анаэробный ил; ацетат УВ/^^^брЗМ; Нафион 770 139 460 [122]/65

25 УБ/восстановленный графен; анаэробный ил; глюкоза УВ/^^^брЗМ; CMI7000 ионообменный фильтр =730 37 =370 [123]/66

АУ- активированный углерод; УТ-углеродная ткань; УВ-углеродный войлок; УБ-углеродная бумага; УЧ- черный углерод; ПАНИ- полианилин; N-Гр- N- допированный азотом графен;ГНХ- гидроксинафтохинон; ТСФЖ- тетрасульфофталоцианинжелеза; ГрВБК- графен, восстановленный бактериальными клетками; НСС- сетка из нержавеющей стали.; O2- 02 растворенный кислород; ПТФЭ- политетрафлюороэтилен; ПОМ-протон-обменная мембрана; Эл. химич. восстановлен,- электрохимически восстановленный; Химич. восстановлен. - химически восстановленный.

в результате реакции пероксид водорода не является приемлемым субстратом. Эта реакция, конкурентная к кислородной, является наиболее важной по существу. Ее следует учитывать в случае, когда возникает вопрос об использовании ГОД в БТЭ. Даже в случае прямого, или если более точно, безмедиаторного электронного

транспорта между ГОД и электродом, механизм не может быть с абсолютной точностью доказан и поэтому всегда имеется контрверсия о реальности прямого переноса электронов. В этой связи следует считать, что прямой анодный электронный обмен между ГОД и электродом запрещен, при этом разрешенной является

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

Рис. 15. Обусловленный медиатором транспорт электрона между ФАД-зависимой ГОД и электродом для случая, когда прямой перенос невозможен. ФАД-кофактор обозначен красным и черным кружочками [84]. только медиаторная передача (рис. 15). Такие рассуждения подтверждаются примером БТЭ, представленного пятой позицией Таблицы; анод состоял из фермента ГОД, иммобилизованного на оксиде графена и стеклоуглеродном электроде, катод представляла лакказа, иммобилизованная на многостенных углеродных нанотрубках, модифицированных оксидом цинка. БТЭ имел напряжение холостого хода 60 мВ, максимальную удельную мощность 0.054 мкВт-см-3 и напряжение при максимальной мощности 50 мВ [83]. Такие параметры в приведенном ряду БТЭ являются наименьшими по значению. Вместе с тем пример БТЭ, представленного седьмой позицией Таблицы противоречит описанной схеме механизма функционирования ГОД, поскольку параметры данного БТЭ являются наилучшими из представленных для ферментных БТЭ [87].

Микробные биотопливные элементы на основе графена Несмотря на то, что идея получения электричества при окислении органических субстратов микробным биокатализатором была впервые сформулирована более ста лет назад [90], потребовались десятилетия для того, чтобы в области микробных БТЭ были получены важные результаты. Задача обеспечить эффективный электронный транспорт между электродной поверхностью и ферментом, локализованным внутри микробной клетки, оказалась достаточно сложной. Сложность задачи заключалась не только в обеспечении эффективного транспорта заряда, но также и в обеспечении транспорта субстрата к биокатализатору; для микробной клетки это было значительно тяжелее, чем для фермента. В результате максимальные мощности БТЭ, основанных на ферментах, были выше мощностей микробных БТЭ. В этой связи в начале 1980-х годов основным направлением исследований являлось

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 203 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

применение электронных переносчиков - медиаторов [91]. Вместе с тем через два десятилетия появились сообщения о возможности безмедиаторного переноса [93] и с того периода исследования микробных БТЭ приобрели новый размах [94]. Было установлено, что бактериальные клетки могут иметь три главных пути обмена электронов с электродами-с помощью секретируемых медиаторов, с помощью цитохромов и с помощью бактериальных пилей или нанопроволочек (рис. 16) [95-97].

Однако даже при наличии указанных предположений относительно механизмов обмена требовалось дальнейшее интенсивное изучение деталей. Так, возникал вопрос о том, происходит ли передача по механизму переноса от одного сайта цитохрома к другому или передача осуществляется по механизму проводимости в металлах через п -п связанные электроны в ароматических кольцах аминокислот [97]. Также следует отметить, что комбинация трех механизмов переноса для бактериальных клеток вносит свои трудности в однозначность трактовки процесса передачи электронов [98]. Вне зависимости от существующей сложности объяснения механизмов переноса открытие эффекта ПТ электронов у бактериальных клеток предоставило широкие возможности для конструирования БТЭ. Такие бактерии называют "экзоэлектрогенными", т.е. способными самостоятельно генерировать электроэнергию и содержащими нано-системы, которые можно использовать для создания безреагентных микробных БТЭ. Мощность БТЭ на их основе достигает мощности многих БТЭ на основе ферментов.

Рис. 16. Схематическая иллюстрация механизма бактериального обмена электронами с помощью 1) секретируемых медиаторов (слева-окисленныймедиатор, справа-восстановленный), поверхностных цитохромов, обозначенных как E1-E3 и 3) бактериальных пилей — нанопроволочек или оксидоредуктаз [84].

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

НАНОСИСТЕМЫ

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

Однако из данных Таблицы можно видеть, что даже применение графеновых материалов в микробных БТЭ не позволяет достичь лучших мощностных значений БТЭ на основе ферментов. В то же время микробные БТЭ обладают другими положительными качествами- например, значительно более высокой операционной стабильностью, необычайно широким спектром субстратов [99].

В настоящее время большое внимание при конструировании микробных БТЭ, и в том числе на основе экзоэлектрогенов, уделяется применению как проводящих наноматериалов (углеродные нанотрубки, углеродные и полимерные нановолокна, графитовые частицы), так и проводящих макроразмерных материалов- углеродной ткани, углеродной бумаге, углеродному войлоку. При этом, несмотря на комплексный характер взаимодействия с микробными клетками, растет частота применения Гр в микробных БТЭ [84]. Однако из данных Таблицы можно видеть, что даже при использовании Гр в БТЭ их параметры еще уступают, и в некоторых случаях значительно превосходят параметры БТЭ на основе ферментов.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, при рассмотрении различных подходов, можно отметить, что в настоящее время исследования в области разработок БТЭ направлены на изучение свойств проводящих наноматериалов для создания электродов, поиск новых схем использования наноматериалов в качестве электродов, поиск новых ферментов и микробных клеток, способных эффективно осуществлять перенос электронов по механизму медиаторного и прямого биоэлектрокатализа. Графен вошел в число углеродных наноматериалов, используемых как в биосенсорах, так и в БТЭ (биосенсорные технологии являются предшественниками БТЭ-технологий, поскольку структура и функции БТЭ и биосенсоров электрохимического типа во многом совпадают) [100].

Анализ имеющихся в литературе данных по созданию БТЭ с новыми характеристиками говорит о том, что одной из тенденций является разработка малогабаритных планарных и объемных БТЭ. Для таких систем будут требоваться, соответственно малогабаритные электроды- анод и катод. Наряду с другими известными наноматериалами графеноподобные материалы обладают свойствами, обеспечивающими их использование при конструировании БТЭ- так, они имеют высокое соотношение "поверхность/объем", обладают высокой и управляемой электропроводностью, высокой прочностью. Использование в БТЭ графеноподобных материалов расширяет спектр

возможностей и позволяет разрабатывать устройства нового поколения.

Полученные результаты позволят правильно оценить дальнейшие пути развития биотопливных элементов, включая создание малогабаритных БТЭ, которые могут быть эффективно использованы в биоробототехнике, а также в медицинской технике в качестве имплантируемых элементов.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (гранты 13-07-12052, 13-07-00979, 15-29-01292).

ЛИТЕРАТУРА

1. Logan BE. Microbial fuel cells. New Jersey, John Wiley & Sons, 2008, 200 p.

2. Bullen RA, Arnot TC, Lakeman JB, Walsh FC. Biofuel cells and their development. Biosensors and Bioelectronics, 2006, 21(15):2015-2045.

3. Решетилов АН, Понаморева ОН, Решетилова ТА, Богдановская ВА. Генерация электрической энергии в биотопливном элементе на основе клеток микроорганизмов. Вестник биотехн. и физ.-хим. биологии им. ЮА.Овчинникова. 2005, 1( 2):54-62.

4. Katz E, Pita M. Biofuel cells controlled by logically processed biochemical signals: Towards physiologically regulated bioelectronic devices. Chem. Eur. J., 2009, 15:12554-12564.

5. Halme A, Zhang X-Ch. Biological fuel cells: Processing substrates to electricity by the aid of biocatalysts. In: Bioseparation and Bioprocessing, Subramanian G. (Ed.), Weinheim, Wiley-VCH, 2007, 355-382 p.

6. Potter MC. Proc. Roy. Soc. London Ser. B 84, 1911:260-276.

7. Kim BH, Kim HJ, Hyun MS, Park DH. Direct electrode reaction of Fe(jn)-reducing bacterium Shewanella putrefaciens. J. Microbiol. Biotechnol 1999, 9(2):127-131.

8. Halme A. 2010, http://automation.tkk.fi/files/ biofuelcell/sfc00pos.htm.

9. Zhang X, Halme A. Modeling of a microbial fuel cell process. Biotechnology Letters, 1995, 17(8):809-814.

10. Zebda A, Gondran C, Cinquin P, Cosnier S. Glucose biofuel cell construction based on enzyme, graphite particle and redox mediator compression. Sensors and Actuators B: Chemical. 2012, 173:760-764.

11. Zhang J, Zhu Y, Chen C, Yang X, Li C. Carbon nanotubes coated with platinum nanoparticles as anode of biofuel cell. Particuology, 2012, 10:450-455.

12. Lee JY, Shin HY, Kang SW Park C, Kim SW Application of an enzyme-based biofuel cell containing a bioelectrode modified with deoxyribonucleic acid-wrapped single-walled carbon nanotubes to serum. Enzyme and Microbial Technology. 2011, 48:80-84.

13. Rotta CEH, Ciniciato G, Gonzalez ER. Triphenylmethane dyes, an alternative for mediated electronic transfer systems in glucose oxidase biofuel cells. Enzyme and Microbial Technology. 2011, 48(6):487-497.

14. Nien P-C, Wang J-Y, Chen P-Y, Chen L-C, Ho K-C. Encapsulating benzoquinone and glucose oxidase with a PEDOT film: Application to oxygen-independent glucose sensors and glucose/O2 biofuel

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

cells. Bioresource Technology. 2010, 101:5480-5486.

15. Barriere F, Ferry Y, Rochefort D, Leech D. Targetting redox polymers as mediators for laccase oxygen reduction in a membrane-less biofuel cell. Electrochemistry Communications. 2004, 6(3):237-241.

16. Poller S, Beyl Y, Vivekananthan J, Guschin DA, Schuhmann W A new synthesis route for Os-complex modified redox polymers for potential biofuel cell applications. Bioelectrochemistry, 2012, 87:178-184.

17. Ramanavicius A, Kausaite A, Ramanaviciene A. Enzymatic biofuel cell based on anode and cathode powered by ethanol. Biosensors and Bioelectronics. 2008, 24:761-766.

18. Zebda A, Renaud L, Cretin M, Innocent C, Ferrigno R, Tingry S. Membraneless microchannel glucose biofuel cell with improved electrical performances. Sensors and Actuators B: Chemical. 2010, 149:44-50.

19. Holzinger M, Goff AL, Cosnier S. Carbon nanotube/ enzyme biofuel cells. Electrochimica Acta, 2012, 82(1):179-190.

20. Rincon R, Lau C, Luckarift HR, Garcia KE, Adkins E, Johnson GR, Atanassov P Enzymatic fuel cells: Integrating flow-through anode and air-breathing cathode into a membrane-less biofuel cell design. Biosensors and Bioelectronics, 2011, 27(15):132-136.

21. Giroud G, Gondran Ch, Gorgy K, Pellissier A, Lenouvel F, Cinquin Ph, Cosnier S. A quinhydrone biofuel cell based on an enzyme-induced pH gradient. J. of Power Sources. 2011, 196:1329-1332.

22. Hubenova Y, Mitov M. Potential application of Candida melibiosica in biofuel cells. Bioelectrochemistry, 2010, 78:57-61.

23. Sayed ET, Saito Y, Tsujiguchi T, Nakagawa N. Catalytic activity of yeast extract in biofuel cell. J. of Bioscience and Bioengineering, 2012, 114:521-525.

24. Arechederra R, Minteer SD. Organelle-based biofuel cells: Immobilized mitochondria on carbon paper electrodes. Electrochimica Acta, 2008, 53(1):6698-6703.

25. Kim J, Jia H, Wang P Challenges in biocatalysis for enzyme-based biofuel cells. Biotechnology Advances, 2006, 24:296-308.

26. Tam KT, Pita M, Ornatska M, Katz E. Biofuel cell controlled by enzyme logic network - Approaching physiologically regulated devices. Bioelectrochemistry, 2009, 76:4-9.

27. Ramanavicius A, Kausaite A, Ramanaviciene A. Biofuel cell based on direct bioelectrocatalysis. Biosensors and Bioelectronics, 2005, 20:1962-1967.

28. Алферов СВ, Томашевская ЛГ, Понаморева ОН, Богдановская ВА, Решетилов АН. Анод биотопливного элемента на основе бактериальных клеток Gluconohacter oxydans и медиатора электронного транспорта 2,6-дихлорфенолиндофенола. Электрохимия, 2006, 42(4):456-457.

29. Алферов СВ. Дисс. ... канд. хим. наук. Москва, МГА тонкой хим. техн. им. М.В. Ломоносова, 2010.

30. Satoshi S, Karube I. The development of microfabricated biocatalytic fuel cells. Trends In

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 205 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

BioTechnology, 1999, 17:50-52.

31. Halamkova L, Halamek J, Bocharova V, Szczupak A, Alfonta L, Katz E. Implanted Biofuel Cell Operating in a Living Snail. J. Am. Chem. Soc, 2012, 134:5040-5043.

32. Schroder Uwe. From In Vitro to In Vivo-Biofuel Cells Are Maturing. Angewandte Chem. Int. Ed., 2012, 51:7370-7372.

33. Szczupak A, Halamek J, Halamkova L, Bocharova

V Alfontac L, Katz E. Living battery — biofuel cells operating in vivo in clams. Energy and Dynamic Article Einks.<Environmental Science. Citation, 2012, DOI: 10.1039/c2ee21626d.

34. Pfeffer C. et al. Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances. Nature, 2012, 491:218-221.

35. Горшенев ВН, Илюшин АС, Колесов ВВ, Фионов АС, Петрова НГ. Композиционные материалы на основе терморасширенного графита. Перспективные материалы, декабрь, 2008, спец. вып. 6(1):351-355.

36. Горшенев ВН, Бибиков СБ, Новиков ЮН. Электропроводящие материалы на основе терморасширенного графита. Журнал прикладной химии, 2003, 76(4):624-627.

37. KatrKk J, Vostiar I, Sefcovicova J, TkaC J, Mastihuba

V Valach M, Stefuca V, Gemeiner P A novel microbial biosensor based on cells of Glucmohacter oxydans for the selective determination of 1,3-propanediol in the presence of glycerol and its application to bioprocess monitoring. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2007, 388(1) :287-295.

38. Tkac J, Svitel J, Vostiar I, Navratil M, Gemeiner P

Membrane-bound dehydrogenases from Gluconobacter sp.: Interfacial electrochemistry and direct

bioelectrocatalysis. Bioelectrochemistry, 2009, 76:53-62.

39. Ikeda T, Matsushita F, Senda M. Amperometric fructose sensor based on direct bioelectrocatalysis. Biosensors & Bioelectronics, 1991, 6:299-304.

40. Treu BL, Minteer SD. Isolation and purification of PQQ-dependent lactate dehydrogenase from Gluconobacter and use for direct electron transfer at carbon and gold electrodes. Bioelectrochemistry, 2008, 74:73-77.

41. Ramanavicius A, Kausaite A, Ramanaviciene A. Potentiometric study of quinohemoprotein alcohol dehydrogenase immobilized on the carbon rod electrode.

Sensors and Actuators B: Chemical, 2006, 113(1):435-444.

42. Tkac J, Svitel J, Vostiar I, Navratil M, Gemeiner P

Membrane-bound dehydrogenases from Gluconobacter sp.: Interfacial electrochemistry and direct

bioelectrocatalysis. Bioelectrochemistry, 2009, 76:53-62.

43. Lovley DR. Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature reviews: Microhiobgy, 2006, 4:507.

44. Richter H, McCarthy K, Nevin KP, Johnson JP, Rotello VM, Lovley DR. Electricity Generation by Geobacter sulfurreducens Attached to Gold Electrodes. Eangmuir, 2008, 24(8):4376-4379.

45. Sidney Aquino Neto et al. Direct electron transfer-based bioanodes for ethanol biofuel cells using PQQ-depended alcohol and aldehyde dehydrogenases.

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

Алферов В.А., Василов Р.Г., Губин С.П., Кашин В.В., Китова А.Е., Колесов В.В., Мачулин А.В., Решетилов А.Н., Решетилова Т.А.

Electrochimica Acta, 2013, 87:323-329.

46. Halamkova L. Implanted Biofuel Cell Operating in a Living Snail. J. Am. Chem. Soc, 2012, 134:5040-5043.

47. Jia W Valds-Ramrez G, Bandodkar AJ, Windmiller JR, Wang J. Epidermal Biofuel Cells: Energy Harvesting from Human Perspiration. Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52:7233-7236.

48. Wang X, Gu H, Yin F, Tu Y. A glucose biosensor based on Prussian blue/chitosan hybrid film. Biosensors and Bioelectronics, 2009, 24(5):1527-1530.

49. Фиалков АС. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М., Аспект Пресс, 1997.

50. Уббелоде АР, Льюис ФА. Графит и его кристаллические соединения. М., Мир, 1965.

51. Черныш ИГ, Карпов ИИ, Приходько ВП, Шай ВМ. Физико-химические свойства графита и его соединений. Киев, Наукова Думка, 1990.

52. Lopez-Gonzalez J, Martin-Rodriguez A, Rodnguez-Reinoso F. Kinetics of the formation of Graphite oxide. Carbon, 1975, 13(6):461-464.

53. Hontoria-Lucas C, Lopez-Peinado AJ, Lopez-Gonzalez JDD, Rojas-Cervantes ML, Martin-Aranda RM. Study of oxygen-containing groups in series of graphite oxides: physical and chemical characterization. Carbon, 1995, 33(11):1585-1592.

54. Brodie BC. Sur le poids atomique du graphite. Ann. Chim. Phys, 1860, 59:466-472.

55. Staudenmaier L. Verfahren zur Darstellung der Graphitsaure. Ber. Deut. Chem. Ges., 1898, 31:1481-1499.

56. Hummers WS, Offeman RE. Preparation of graphitic oxide. J. Am. Chem. Soc., 1958, 80(6):1339-1339.

57. Mkhoyan KA, Contryman AW Silcox J, Stewart DA, Eda G, Mattevi C, Miller S, Chhowalla M. Atomic and Electronic Structure of Graphene-Oxide. NanoEett., 2009, 9(3):1058-1063.

58. Szabo T, Berkesi O, Forgo P, Josepovits K, Sanakis Y, Petridis D, Dekany I. Evolution of surface functional groups in a series of progressively oxidized graphite oxides. Chem. Mater, 2006, 18(11):2740-2749.

59. Park S, Lee K-S, Bozoklu G, Cai W Nguyen ST, Ruoff RS. Graphene oxide papers modified by divalent ions — Enhancing mechanical properties via chemical cross-linking. ACS Nano, 2008, 2(3):572-578.

60. Paredes JI, Villar-Rodil S, Martinez-Alonso A, Tascon JMD. Graphene oxide dispersions in organic solvents. Langmuir, 2008, 24(19):10560-10564.

61. Stankovich S, Dikin DA, Piner RD, Kohlhaas KA, Kleihammes A, Jia Y, Wu Y, Nguyen ST, Ruoff RS. Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon, 2007, 45(7):1558-1565.

62. Wang Sh, Tang LA, Bao Q, Lin M, Deng S, Goh BM, Loh KP. Room-Temperature Synthesis of Soluble Carbon Nanotubes by the Sonication of Graphene Oxide Nanosheets. J. Am. Chem. Soc, 2009, 131:16832-16837.

63. Lomeda JR, Doyle CD, Kosynkin DV, Hwang W-F, Tour JM. Diazonium functionalization of surfactant-

wrapped chemically converted graphene sheets. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(48):16201-16206.

64. Lin Y, Yao J, Li Zh, Liu Y, Li Zh, Wong Ch-P Solvent-Assisted Thermal Reduction of Graphite Oxide. J. Phys. Chem. C, 2010, 114(35):14819-14825.

65. Yang Q, Pan X, Huang F, Li K. Fabrication of High-Concentration and Stable Aqueous Suspensions of Graphene Nanosheets by Noncovalent Functionalization with Lignin and Cellulose Derivatives. J. Phys. Chem. C, 2010, 114(9):3811-3816.

66. Gao J, Liu F, Liu Y, Ma N, Wang Zh, Zhang X. Environment-Friendly Method To Produce Graphene That Employs Vitamin C and Amino Acid. Chem. Mater, 2010, 22(7):2213-2218.

67. Boehm HP, Eckel M, Scholz W Uber den Bildungsmechanismus des Graphitoxids. Anorg. Allg. Chem, 1967, 353:236-242.

68. Boehm HP, Eckel M, Scholz W. Uber den Bildungsmechanismus des Graphitoxids. Anorg. Allg. Chem, 1967, 353:236-242.

69. Li X, Zhang G, Bai X, Sun X, Wang X, Wang E, Dai

H. Highly conducting graphene sheets and Langmuir— Blodgett films. Nature Nanotech, 2008, 3(9):538-542.

70. Gomez-Navarro C, Meyer JC, Sundaram RS, Chuvilin A, Kurasch S, Burghard M, Kern K, Kaiser U. Atomic Structure of Reduced Graphene Oxide. Nano Lett., 2010, 10(4):1144-1148.

71. Paredes JI, Villar-Rodil S, Solis-Fernandez P, Martinez-Alonso A, Tascon JMD. Atomic Force and Scanning Tunneling Microscopy Imaging of Graphene Nanosheets Derived from Graphite Oxide. Langmuir, 2009, 25(10):5957-5968.

72. Pan D, Wang S, Zhao B, Wu M, Zhang H, Wang Y,

Jiao Zh. Lithium Storage Properties of Disordered Graphene Nanosheets. Chem. Mater, 2009,

21(14):3136-3142.

73. Kundhikanjana W, Lai K, Wang H, Dai H, Kelly MA, Shen Z. Hierarchy of Electronic Properties of Chemically Derived and Pristine Graphene Probed by Microwave Imaging. Nano Lett, 2009, 9(11):3762-65.

74. Ferrari AC. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-photon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid state comm, 2007, 143(1-2):47-57.

75. Obraztsova EA, Osadchy AV, Obraztsova ED, Lefrant S, Yaminsky IV. Statistical analysis of atomic force microscopy and Raman spectroscopy data for estimation of graphene layer numbers. Phys. stat. sol.., B, 2008, 245(10):2055-59.

76. Stolyarova E, Rim KT, Ryu S, Maultzsch J, Kim P, Brus LE, Heinz TF, Hybertsen MS, Flynn GW High resolution scanning tunneling mesoscopic imaging of graphene sheets on an insulating surface. PNAS, 2007, 104(22):9209-12.

77. Leech D, Kavanagh P, Schuhmann W Electrochim. Acta, 2012, 84:223-234.

78. Tarasevich MR, Yaropolov AI, Bogdanovskaya VA, Varfolomeev SD. Bioelectroch. Bioener., 1979, 6:393-403.

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ

НАНОСИСТЕМЫ

79. Scida K, Stege PW Haby G, Messina GA, Garda CD. Anal. Chim. Acta, 2011, 691:6-17.

80. Tamaki T. Top. Catal, 2012, 55:1162-1180.

81. Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D, Zhang Y, Dubonos SV, Grigorieva IV, Firsov AA. Science, 2004, 306:666-669.

82. Bonanni A, Loo AH, Pumera M. Trends Anal. Chem,

2012, 37:12-21.

83. Filip J, Tkac J. Is graphene worth using in biofuel cells? Electrochimica Acta, 2014, 136:340-354.

84. Dreyer DR, Park S, Bielawski CW Ruoff RS. Chem. Soc. Rev., 2010, 39:228-240.

85. Liu Y, Dong X, Chen P Chem. Soc:. Rev., 2012, 41:2283-2307.

86. Wu H, Wang J, Kang X, Wang C, Wang D, Liu J, Aksay IA, Lin Y. Talanta, 2009, 80:403-406.

87. Liu C, Alwarappan S, Chen Z, Kong X, Li C-Z. Biosens. Bioelectron, 2010, 25:1829-1833.

88. Shan D, Zhang J, Xue H-G, Ding S-N, Cosnier S. Biosens. Bioelectron, 2010, 25:1427-1433.

89. Potter MC. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character, 1911, 84:260-276.

90. Stirling JL, Bennetto HP, Delaney GM, Mason JR, Roller SD, Tanaka K, Thurston CF. Biochem. Soc. Trans, 1983, 11:451-453.

91. Chaudhuri SK, Lovley DR. Nat. Biotechnol, 2003, 21:1229-1232.

92. Kim HJ, Park HS, Hyun MS, Chang IS, Kim M, Kim BH. Enzyme Microb.Technol, 2002, 30:145-152.

93. Schroder U. J. Solid State Electrochem, 2011, 15:1481-1486.

94. Malvankar NS, Lovley DR. Curr. Opin. Biotech, 2014, 27:88-95.

95. Logan BE, Regan JM. Trends Microbiol, 2006, 14:512-518.

96. Lovley DR. Energy Environ. Sci, 2011, 4:4896-4906.

97. Richter H, Nevin KP, Jia H, Lowy DA, Lovley DR, Tender LM. Energy Environ. Sci, 2009, 2:506-516.

98. Pant D, Van Bogaert G, Diels L, Vanbroekhoven K. Bioresource Technol, 2010, 101:1533-1543.

99. Кашин ВВ, Колесов ВВ, Крупенин СВ, Паршинцев АА, Решетилов АН, Солдатов ЕС. Разработка и исследование молекулярного нанобиосенсора на основе фермента глюкозооксидазы. РЭНСИТ,

2013, 5(2):45-61.

БИОТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 207 НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Губин Сергей Павлович

д.х.н., проф, действ. член РАЕН

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН

31, Ленинский просп., 117991 Москва, Россия gubin@igic.ras.ru

Кашин Вадим Валерьевич

научный сотрудник

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

11/7, ул. Моховая, Москва 125009 Россия vvkashin@cplire.ru

Китова Анна Евгеньевна к.б.н.

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН 5, просп. Науки, 142290 Пущино, Моск.обл., Россия

kitova@ibpm.pushchino.ru

Колесов Владимир Владимирович

к.ф.-м.н., зав. лаб., действ. член РАЕН Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

11/7, ул. Моховая, Москва 125009 Россия kvv@cplire.ru

Мачулин Андрей Валерьевич к.б.н.

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН 5, просп. Науки, 142290 Пущино, Моск.обл., Россия

machulin@ibpm.pushchino.ru

Решетилов Анатолий Николаевич

д.х.н., зав. лаб., действ. член Академии инж. наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН 5, просп. Науки, 142290 Пущино, Моск.обл., Россия

anatol@ibpm.pushchino.ru

Решетилова Татьяна Анатольевна д.б.н.

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН 5, просп. Науки, 142290 Пущино, Моск.обл., Россия

rta@ibpm.pushchino.ru

Алферов Валерий Анатольевич

k. х.н, проф.

Тульский государственный университет 92, просп. Ленина, 300012 Тула, Россия chem@tsu.tula.ru

Василов Раиф Гаянович

д.б.н., проф.,

Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"

l, акад. Курчатова пл., 123182 Москва, Россия vasilov@nrcki.ru

РЭНСИТ | 2014 | ТОМ 6 | НОМЕР 2

208

NANOSYSTEMS

THE BIOFUEL ELEMENTS ON THE BASIS OF THE NANOCARBON MATERIALS

Alferov Valery A.

Tula State University, http://tsu.tula.ru 300012 Tula, Russian Federation chem@tsu.tula.ru Vasilov Raif G.

National Research Centre "Kurchatov Institute", http://www.nrcki.ru

123182 Moscow, Russian Federation

vasilov@nrcki.ru

Gubin Sergey P.

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, http://www.igic.ras.ru,

117991 Moscow, Russian Federation

gubin@igic.ras.ru

Kashin Vadim V., Kolesov Vladimir V.

Kotel’nikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, http://www.cplire.ru

125009 Moscow, Russian Federation

kvv@cplire.ru

Kitova Anna E., Machulin Andrey V., Reshetilov Anatoly N., Reshetilova Tatiana A.

Scryabin Institute of Biochemistry and Physiology of microorganisms of RAS, http://www.ibpm.ru

142290 Puschino, Moscow Region, Russian Federation

anatol@ibpm.pushchino.ru

The state of studies and the new directions, which are developed recently with the creation of the biological-fuel elements of devices, based on the biological material and generating the direct generation of electrical energy with the oxidation of substrata was examined. The functioning of the microbial biological-fuel elements, which oxidizes ethanol was investigated. The bioelectrocatalyst were the intact Gluconobacter oxydans bacterial cells or their membrans fractions. The application of nanocarbonic materials at the development of the electrodes for the biological-fuel elements was considered. The cell of the biological-fuel element on the basis of thermo-expanded graphite was experimentally studied. The special features of graphene as the bases of electrodes in the biological-fuel elements at the development of electrodes was reviewed. The successful development of this subjects, which relates to the bioenergetics, possibly with the close cooperation of such areas of biotechnology as the biosensor and electrochemical studies, which are rested on the application of microelectronic technologies.

Keywords: biofuel elements, bioanode, direct obtaining electric energy, oxidation of substrata enzymes and microbe cells, membrane fractions, nanocarbon materials.

PACS 82.45.Tv, 87.85 M-

Biblography - 99 references RENSIT, 2014, 6(2):187-208

DOI: 10.17725/RENSITe.0006.201412d.0187

Reaeved 21.11.2014

2 НОМЕР | ТОМ 6 | 2014 | РЭНСИТ