Fructose/dioxygen biofuel cell based on direct electron transfer-type bioelectrocatalysis

文献情報

出版日 2007-02-06
DOI 10.1039/B617650J
インパクトファクター 3.676
著者

Yuji Kamitaka, Seiya Tsujimura, Norihiko Setoyama, Tsutomu Kajino, Kenji Kano


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要旨

One-compartment biofuel cells without separators have been constructed, in which D-fructose dehydrogenase (FDH) from Gluconobacter sp. and laccase from Trametes sp. (TsLAC) work as catalysts of direct electron transfer (DET)-type bioelectrocatalysis in the two-electron oxidation of D-fructose and four-electron reduction of dioxygen as fuels, respectively. FDH adsorbs strongly and stably on Ketjen black (KB) particles that have been modified on carbon papers (CP) and produces the catalytic current with the maximum density of about 4 mA cm–2 without mediators at pH 5. The catalytic wave of the D-fructose oxidation is controlled by the enzyme kinetics. The location and the shape of the catalytic waves suggest strongly that the electron is directly transferred to the KB particles from the hemec site in FDH, of which the formal potential has been determined to be 39 mV vs. Ag|AgCl|sat. KCl. Electrochemistry of three kinds of multi-copper oxidases has also been investigated and TsLAC has been selected as the best one of the DET-type bioelectrocatalyst for the four-electron reduction of dioxygen in view of the thermodynamics and kinetics at pH 5. In the DET-type bioelectrocatalysis, the electron from electrodes seems to be transferred to the type I copper site of multi-copper oxidases. TsLAC adsorbed on carbon aerogel (CG) particles with an average pore size of 22 nm, that have been modified on CP electrodes, produces the catalytic reduction current of dioxygen with a density of about 4 mA cm–2, which is governed by the mass transfer of the dissolved dioxygen. The FDH-adsorbed KB-modified CP electrodes and the TsLAC-adsorbed CG-modified CP electrodes have been combined to construct one-compartment biofuel cells without separators. The open-circuit voltage was 790 mV. The maximum current density of 2.8 mA cm–2 and the maximum power density of 850 µW cm–2 have been achieved at 410 mV of the cell voltage under stirring.

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DOI: 10.1039/C5PY90082D

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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