總目錄 中文摘要……………………………………………………………………...I Abstract……………………………………………………………….............II 致謝…………….............................................................................................III 總目錄……………………………………………………………………….IV 表目錄……………………………………………………………………..VIII 圖目錄……………………………………………………………………….IX 第一章 緒論………………………………………………………………….1 1.1 生物燃料電池簡介………………………………………………………1 1.1.1 生物燃料電池特點……………………………………………….1 1.1.2 生物燃料電池的應用…………………………………………….3 1.1.3 生物燃料電池的種類…………………………………………….5 1.1.4 酵素電極上的生物電化學……………………………………….7 1.1.5 全球及台灣在生物燃料電池的發展…………………………….9 1.2 葡萄糖/氧氣型之生物燃料電池……………………………………….11 1.2.1 葡萄糖氧化酵素 (Glucose oxidase)……………………………11 1.2.2 漆氧化酵素 (Laccase, benzenediol:dioxygen oxidoreductase)………………………………………………….13 1.2.3 陰陽兩極之電子傳遞媒介子……………………………...........16 1.2.4 Nafion® 質子交換膜之簡介……………………………..........18 1.2.5 電極反應與發電原理…………………………………………...19 1.3 酵素固定化方法………………………………………………………..22 1.3.1 物理吸附法 (Physical adsorption)………………………...........22 1.3.2 共價鍵固定法 (Covalent immobilization)……………….......... 22 1.3.3 交聯法 (Cross-linking)………………………………………….24 1.3.4 包埋法 (Entrapment)……………………………………………24 1.4 導電性高分子 (Conducting polymers)…………………………...........25 1.4.1 導電性高分子的緣由……………………………………...........25 1.4.2 Polypyrrole的電聚合原理和導電原理………………………..27 1.5 奈米碳管 (Carbon nanotubes, CNTs)………………………………….28 1.5.1 奈米碳管的緣由…………………………………………...........28 1.5.2 奈米碳管之結構…………………………………………...........29 1.6 研究動機與目的…………………………………………………..........31 第二章 實驗方法與材料……………………………………………...........32 2.1 藥品與材料的前處理…………………………………………………..32 2.1.1 奈米碳管的酸化洗淨……………………………………...........32 2.2 酵素型生物電極的製備………………………………………………..32 2.2.1 奈米碳管修飾之碳紙電極的製備………………………...........32 2.2.2 葡萄糖氧化用酵素電極製備…………………………….. ……32 2.2.3 氧氣還原用之酵素電極製備…………………………….. ……33 2.3 單電極之電化學與活性實驗…………………………………………..35 2.3.1 以循環伏安法 (Cyclic voltammetry) 測試酵素電極…………35 2.3.2 以電流時間法 (Chronoamperometry) 測試酵素電極…...........36 2.3.3 酵素電極的反應活性測定………………………………...……36 2.4 電池放電測試…………………………………………………………..36 2.4.1 含有Nafion® 117交換膜之生物燃料電池之組裝……………..36 2.4.2 含有Nafion® 117之生物燃料電池放電測試系統………..........37 2.4.3 以鹽橋架設之生物燃料電池之組裝……………………........... 37 2.4.4 以鹽橋架設之生物燃料電池放電測試系統……………......... ..37 2.4.5 極化曲線與power-voltage曲線…………………………...........37 2.5 電極特性之分析………………………………………………………..39 2.5.1 以掃描式電子顯微鏡 (SEM) 對固定化酵素電極表面 進行分析……………………………...........................................39 2.5.2 以傅立葉紅外線光譜儀 (FT-IR) 分析電極固定化材料……...39 2.5.3 紫外/可見光分光光度計 (UV-Vis spectrophotometer) 對電極固定化材料之分析…………………………...................40 2.6 藥品與材料……………………………………………………………..41 2.7 儀器設備………………………………………………………………..43 第三章 結果與討論…………………………………………………...........44 3.1生物燃料電池之酵素電極製備…………………………………...........44 3.1.1 奈米碳管對陽極酵素電極製備之影響…………………...........44 3.1.2 Pyrrole濃度對陽極酵素電極製備之影響……………………46 3.1.3 聚合圈數對陽極酵素電極製備之影響…………………...........47 3.1.4 HQS (8-Hydroxyquinoline-5-sulfonic acid hydrate) 之存在對於陽極酵素電極製備的影響………………..……….47 3.1.5 陰極酵素電極製備及ABTS2- (2,2′-Azino-bis (3-ethylbenzo-thiazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt) 對電聚合的影響………………………………...........................49 3.1.6 葡萄糖氧化酵素對電聚合polypyrrole的影響………………...50 3.2 酵素電極之性質測定………………………………………..................51 3.2.1 以傅立葉紅外線光譜儀 (FT-IR) 分析電極固定化材料...........51 3.2.2 以紫外/可見光分光光度計 (UV-Vis spectrophotometer) 對電極固定化材料之分析…………………………...................54 3.2.3 以SEM觀察固定化酵素電極之表面形態…………………….57 3.3 單電極電化學與活性測試……………………………………………. 62 3.3.1 以循環伏安法測試酵素電極…………………………………...62 3.3.2 以電流時間曲線法測試酵素電極……………………………...62 3.3.3 酵素電極的反應活性分析……………………………………...63 3.4 含有Nafion® 117之生物燃料電池放電效能分析…………………….66 3.4.1 生物燃料電池放電的極化曲線與power-voltage曲線………...66 3.4.2 電聚合使用的pyrrole濃度對生物燃料電池效能的影響……..70 3.4.3 奈米碳管對生物燃料電池效能的影響………………………...74 3.4.4 HQS固定在陽極上對生物燃料電池效能的影響……………77 3.4.5 電聚合使用的循環伏安圈數對生物燃料電池效能的影響…...78 3.4.6 變電壓處理方式對電池量測結果的影響……………………...82 3.5 以鹽橋架設之生物燃料電池放電效能分析…………………………..84 3.5.1 鹽橋系統之電池與Nafion® 117型電池的比較………………..84 3.5.2 電子媒介子之使用與否對生物燃料電池的影響……………...87 3.5.3 非分隔型 (Compartmentless) 生物燃料電池的效能表現……89 第四章 結論………………………………………………………………...93 參考文獻………………………………………………………………….....96 表目錄 表 1.1.1 微生物型生物燃料電池之效能與比較…………………………...6 表 1.1.2 酵素型生物燃料電池之效能與比較…………………………….10 表 1.4.1 常見的雜環類導電性高分子及其單體氧化電位……………….27 表 3.1.1 以不同條件製備陽極電極之氧化電荷數比較………………….48 表 3.3.1 酵素電極在定電壓下的電流響應比較………………………….65 表 3.4.1 不同設定電壓下的電池輸出電流與功率……………………….67 表 3.4.2 不同pyrrole濃度製備之生物燃料電池的效能比較……………74 表 3.4.3 奈米碳管使用與否之生物燃料電池的效能比較……………….76 表 3.4.4 不同聚合圈數製備之電池的效能比較………………………….80 表 3.5.1 兩種不同系統下之生物燃料電池的比較……………………….86 表 3.5.2 兩種電子傳遞模式下的電池效能比較………………………….89 表 3.5.3 非分隔式電池與鹽橋電池進行的放電結果比較……………….92 圖目錄 圖 1.1.1 不同電子裝置之功率範圍比較圖………………………………..2 圖 1.1.2 自營式機器人「Slugbot」………………………………………..4 圖 1.1.3 微生物型生物燃料電池…………………………………………..6 圖 1.1.4 不同的電子傳遞型式。(a) 直接型電子傳遞； (b) 媒介型電子傳遞……………….……………………………..8 圖 1.1.5 各種電子媒介子之氧化還原電位………………………………..8 圖 1.2.1 葡萄糖氧化酵素之立體構形圖………………………………….12 圖 1.2.2 FAD之化學結構式……………………………………………..12 圖 1.2.3 FAD之氧化還原可逆反應……………………………………..13 圖 1.2.4 Laccase之立體構形圖………………………………………….15 圖 1.2.5 Laccase在電極上之催化行為示意圖………………………….15 圖 1.2.6 氧分子在laccase上之還原反應機構圖…………………………16 圖 1.2.7 Poly(N-vinylimidazole)/polyacrylamide copolymer…………….18 圖 1.2.8 Poly(N-vinylpyridine(Os(N,N’-dialkylated-2,2’- biimidazole)3)2+/3+)……………………………………………….18 圖 1.2.9 Nafion® 之化學構造式…………………………………………19 圖 1.2.10生物燃料電池放電原理示意圖。參考電極為SCE。…..……..21 圖 1.2.11 HQS的氧化還原反應示意圖………………………………….21 圖 1.2.12 ABTS的氧化還原反應示意圖………………………………..22 圖 1.3.1 各種酵素固定化方法之示意圖。(a) Chemical methods； (b) Physical methods……………………………………..……….23 圖 1.4.1 導電性高分子之導電度範圍示意圖。圖中箭號向上 為摻雜態，向下則為去摻雜態 (dedoped state)。………………26 圖 1.4.2 Polypyrrole之電聚合反應機構…………………………………28 圖 1.5.1 碳的同素異形體。(a) 石墨；(b) C60……………………………30 圖 1.5.2 單壁奈米碳管之三種結構。(a) armchair；(b) zigzag； (c) chiral…............................................................………………..30 圖 1.5.3 單壁與多壁奈米碳管。(a) 單壁奈米碳管；(b) 多壁奈米碳管…31 圖 2.2.1 酵素電極之製備流程圖………………………………………….34 圖 2.2.2 進行電聚合反應之三電極系統………………………………….35 圖 2.4.1 含有Nafion® 117膜之生物燃料電池放電測試系統……………38 圖 2.4.2 以鹽橋架設之生物燃料電池的放電測試系統……… ………….39 圖 3.1.1 陽極酵素電極製備之CV圖。(a) 碳紙沒有鋪附奈米碳管； (b) 碳紙有鋪奈米碳管...………………………………………...45 圖 3.1.2 不同 pyrrole 濃度之酵素電極製備 CV 圖。(a) 0.2 M； (b) 0.5 M；(c) 1.0 M……………………………………………...46 圖 3.1.3 HQS存在與否之陽極酵素電極製備CV圖…………...……......48 圖 3.1.4 ABTS2- 存在與否之陰極酵素電極製備CV圖。 (a) 無ABTS2-；(b) 有ABTS2-…………….…………………..49 圖 3.1.5 GOx存在與否之陽極酵素電極製備CV圖。 (a) 有GOx；(b) 沒有GOx……………………………….…...50 圖 3.2.1 GOx 酵素電極之 FT-IR 光譜。pyrrole 1.0 M，50圈。 (a) CNTs；(b) CNTs/polypyrrole； (c) CNTs/polypyrrole/GOx；(d) GOx…................................…..53 圖 3.2.2 GOx 酵素電極之 FT-IR 光譜。pyrrole 0.2 M，10圈。 (a) CNTs/polypyrrole/GOx；(b) CNTs/polypyrrole……………..53 圖 3.2.3 奈米碳管之UV-Vis吸收光譜。(a) 酸化前；(b) 酸化後………55 圖 3.2.4以電聚合方式製備polypyrrole並固定GOx之UV-Vis吸收光譜。 (a) GOx；(b) CNTs/polypyrrole； (c) CNTs/polypyrrole/GOx………………………………………..56 圖 3.2.5 SEM觀測圖一。(a) 碳紙；(b) 碳紙上鋪附奈米碳管； (c) 碳紙/CNTs/polypyrrole/GOx，10 CV……………………….59 圖 3.2.6 SEM觀測圖二。(a) 碳紙/CNTs/polypyrrole/GOx，5 CV； (b) 碳紙/CNTs/polypyrrole/GOx，20 CV； (c) 碳紙/CNTs/polypyrrole/GOx，30 CV………………………60 圖 3.2.7 SEM觀測圖三。(a) 碳紙/CNTs/polypyrrole/GOx/HQS； (b) 碳紙/CNTs/polypyrrole/laccase； (c) 碳紙/CNTs/polypyrrole/laccase/ABTS……………………..61 圖 3.3.1 陽極酵素電極之CV圖。測試環境：HQS及20 mM glucose in PBS (pH 7.0)…………………………………………………………...64 圖 3.3.2 陰極酵素電極之CV圖。 測試環境：PBS (pH 5.0)，air-saturated………………………….64 圖 3.3.3 Laccase酵素電極之電流-時間曲線圖…………………………65 圖 3.3.4 GOx酵素電極之反應活性表現………………………………...66 圖 3.4.1 生物燃料電池放電的電流-時間曲線圖…………………………68 圖 3.4.2 生物燃料電池放電的極化曲線圖……………………………….68 圖 3.4.3 生物燃料電池放電的power-voltage曲線圖……………………69 圖 3.4.4 燃料電池典型的放電極化曲線圖……………………………….70 圖 3.4.5 不同pyrrole濃度製備之陽極的電池極化曲線…………………72 圖 3.4.6 不同pyrrole濃度製備之陽極的電池power-voltage曲線………72 圖 3.4.7 不同pyrrole濃度製備之陰極的電池極化曲線............................73 圖 3.4.8 不同pyrrole濃度製備之陰極的電池power-voltage曲線………73 圖 3.4.9 奈米碳管使用與否之電池極化曲線............................................75 圖 3.4.10 奈米碳管使用與否之電池power-voltage曲線.……............…..76 圖 3.4.11 HQS固定在陽極上之電池極化曲線.........................................77 圖 3.4.12 HQS固定在陽極上之電池power-voltage曲線........................78 圖 3.4.13 不同電聚合圈數製備之生物燃料電池極化曲線.......................80 圖 3.4.14 不同電聚合圈數製備之生物燃料電池power-voltage曲線......81 圖 3.4.15 不同電聚合圈數製備之陽極極化曲線.......................................81 圖 3.4.16 不同電聚合圈數製備之陰極極化曲線.......................................82 圖 3.4.17 以線性變電壓法量測生物燃料電池之極化曲線.......................83 圖 3.4.18 以線性變電壓法量測生物燃料電池之power-voltage曲線…..84 圖 3.5.1 兩種生物燃料電池系統的電池極化曲線……………………….85 圖 3.5.2 兩種生物燃料電池系統的電池power-voltage曲線…………….86 圖 3.5.3 直接型與媒介型電子傳遞之電池極化曲線…………………….88 圖 3.5.4 直接型與媒介型電子傳遞之電池power-voltage曲線………….88 圖 3.5.5 非分隔型生物燃料電池之放電極化曲線……………………….91 圖 3.5.6 非分隔型生物燃料電池之放電power-voltage曲線…………….91