非生物催化可植入葡萄糖燃料电池研究进展*

马 泽，董旭峰,黄 昊，齐 民

(1.大连理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116024;2.辽宁省能源材料及器件重点实验室,辽宁 大连 116024)

0 引 言

随着医疗行业的发展，人们对植入式医疗电子设备的需求日益凸显。这些医疗设备被广泛应用于诊断、预防及治疗中，如心脏起搏器、血糖监测装置、胰岛素泵等(图1)。如何为这些电子设备持续供能成为亟需解决的问题。目前普遍使用的锂电池为一次性封闭蓄电池，具有较高的放电电压及能量密度，但受体内植入物体积影响，这类一次性电池储存电量有限，电量耗尽后需要频繁通过手术进行更换，无法实现长期供电[1]。此外，酸性电解质具有潜在的泄露危险，对人体生命安全造成极大威胁。因此亟需开发新型的供电装置，以实现无需充电便可在人体内长期为植入电子设备供电的需求。

图1 植入式医疗设备[1]Fig 1 Implantable medical equipment[1]

燃料电池是将燃料中的化学能转换为电能的化学装置。与一次电池不同，燃料电池作为一种开放的电池体系，只要作为反应物的燃料充足，理论上便可持续发生反应并进行电能供应，具有可靠性高、寿命长的特点。利用这一装置进行体内植入，使用人体内的有机物作为燃料，通过人体新陈代谢能够实现反应物的持续供应，理论上可以持续运行[2]。而人体中，葡萄糖是许多生物最重要的能源物质之一，可通过食物摄取来进行补充，因此可作为燃料电池的理想原料。

1 可植入葡萄糖燃料电池分类

可植入葡萄糖燃料电池(Implantable Glucose Fuel Cell)是燃料电池的一种，在电极上催化剂的作用下，可氧化葡萄糖并还原氧气以产生电能。根据阳极葡萄糖催化剂类型可以分为：微生物、生物酶及非生物葡萄糖燃料电池[3]。其中微生物燃料电池使用活性微生物为电极，对有机物进行催化降解，不适用于体内植入，在此不做讨论。

1.1 生物酶葡萄糖燃料电池

生物酶燃料电池始于上世纪60年代初，研究人员首次发现了氧化还原酶可用于生物燃料电池阳极的催化氧化[4]。具有生物活性的酶可以选择性催化反应底物，在特定环境下具有极高的活性(图2a)。在过去的几十年中，该领域进行了大量的研究，已经有多个研究实现了生物燃料电池的可植入。利用生物酶作为单个电极或两个电极上的生物催化剂，可以实现葡萄糖中化学能到电能的转变。其中阳极主要为葡萄糖氧化酶及葡萄糖脱氢酶，而铜氧化酶及胆红素氧化酶被应用于阴极[5-8]。

酶与电极之间的电子转移分为两种：介导电子转移及直接电子转移。其中介导电子转移使用氧化还原活性分子或聚合物，利用一个独立的氧化还原反应在生物催化剂和电极之间传输电子，例如氢醌，苯醌和铁氰化物盐；直接电子转移则指不使用其他氧化还原基团，电子直接从酶催化中心转移到电极上[9]。在介导电子转移中，由于介质的使用，导致酶活性位点与介质之间产生电位差从而引起电压损失，而在相同条件下，直接电子转移不使用介体意味着酶可以在接近其自然标准氧化还原电位的电位下运行，提高开路电位，从而提高功率密度。

碳材料被认为是理想的导电纳米线，可以在酶活性位点和电极表面建立高效的直接电子转移。Abdelkader等用机械法压缩碳纳米管与葡萄糖氧化酶的混合物，制备出了生物酶均匀分散的葡萄糖催化阳极材料[10]。经过压片，酶与碳纳米管之间紧密结合，酶被充分包埋在碳纳米管基质中(图2b)，可确保周围的碳纳米管能够有效链接酶的氧化还原位点，实现了酶与电极材料间电子的直接有效传输。但由于碳纳米管对生物体的毒性问题仍存在争议，碳材料是否可用于人体植入仍需探究[11]。

图2 (a)生物酶用作氢氧燃料电池及可植入葡萄糖燃料电池阳极材料；(b)生物阳极横截面[10]Fig 2 Biological enzymes are used as anode materials for hydrogen-oxygen fuel cells and implantable glucose fuel cells and cross section of bioanode[10]

生物酶电极良好的生物相容性使得体内植入成为可能。2010年研究人员成功将葡萄糖生物燃料电池植入大鼠[12]体内。随后2012年在昆虫[13]、蜗牛[14]和龙虾[15]中使用了葡萄糖生物燃料电池。2015年，Sarra等[16]使用壳聚糖修饰的漆酶作为生物阴极，并使用壳聚糖制成的薄膜进行覆盖来确保其生物相容性(图3)。该生物阴极被植入到小鼠体内，在植入的最初两周内几乎未产生炎症反应，并稳定工作长达167天，离体后测量OCP达0.45 V。该团队随后于2018年进行全电池的植入研究[17]。电池使用壳聚糖修饰的葡萄糖氧化酶及漆酶分别作为生物阳极及阴极，组装电池并植入可自由活动的兔子体内2个月，使用无线传输系统进行检测和控制。在最初的16天，获得了16 μW/mL的输出功率。

图3 (A)MWCNT-漆酶阴极横截面；(B)MWCNT-漆酶阴极a.在连续放电条件下b.在储存条件下的稳定性测试[16]Fig 3 Cross section of MWCNT-laccase cathode and stability test of MWCNT-laccase cathode:a.under continuous discharge conditions;b.under storage conditions[16]

生物酶催化剂具有良好的生物相容性，高度特异性，高反应速率等优点，但同时因生物酶为活性物质，植入体内后其复杂的蛋白质结构易降解造成失活。该体系有限稳定性和较短的寿命使其难以长期用于可植入燃料电池中，因此常用作短期植入装置及体外葡萄糖的检测，具有检出限低、工作电位高、特异性好的优点[18]。或许在未来，基因工程的发展可实现对酶特定序列进行改造，提高酶的耐久性以实现人体的长期植入。

1.2 非生物葡萄糖燃料电池

1976年，首次狗体内植入实验已经证明了非生物催化葡萄糖燃料电池的可行性[19]，成功运行长达150天，功率密度达到了2.2 μW/cm2。这类电池利用非生物催化剂(通常为贵金属及其合金)作为电极来催化葡萄糖氧化，利用葡萄糖的第一步氧化，为燃料电池外电路提供两个电子，生成葡萄糖酸将重新返回生物体液内进行新陈代谢。与生物酶燃料电池相比，非生物葡萄糖燃料电池具有可高温灭菌性、长期稳定性的特点，更加适用于体内植入[20]。

1.2.1 非生物催化葡萄糖工作电池工作原理

在燃料电池中，电能是通过氧化剂和燃料分别在阴阳两极上的电化学反应产生的。燃料在阳极发生氧化反应，同时释放电子从阳极流经外部负载电路流向阴极，在阴极的氧化剂(通常为氧气)接受电子被还原。电子流的驱动力是阳极和阴极氧化还原对的电化学势之差。理论上讲，葡萄糖可释放24个电子，被完全氧化为二氧化碳和水，标准电池电势为1.24 V[20]。而实际上，尚未发现非生物催化剂能够催化葡萄糖进行完全氧化。在早期研究中，Rao和Drake在使用铂金电极对中性介质(pH 7.4的1 mol/L 磷酸盐缓冲液中0.5 mol/L 葡萄糖、0.5 mol/L NaCl)中进行葡萄糖的电催化，报道了葡萄糖酸是唯一可以通过色谱法鉴定的反应产物[21]。葡萄糖失去两个电子生成葡萄糖酸，相应的电极反应如下：

阳极：C6H12O6+H2O→C6H12O7+2H++2e-

生成物葡萄糖酸可进入体液进行新陈代谢。

1.2.2 非生物催化葡萄糖氧化机理

目前尚未完全明确非生物催化葡萄糖氧化机理，但提出了两种模型来解释该过程(图4)。第一种为“活化化学吸附模型”[22]。该理论认为，葡萄糖在非生物电极表面的催化由吸附引发。葡萄糖分子中半缩醛碳及半缩醛碳上的氢原子同时吸附在催化剂表面。接着半缩醛碳上的氢被提取，与催化剂表面成键，碳氢键断裂。葡萄糖分子中半缩醛碳的氧化态发生了改变，与催化剂表面相互作用减弱，使得葡萄糖分子脱去。在该过程中，葡萄糖分子半缩醛碳与催化剂的表面进行成键随后断开，因此希望催化剂表面可以与葡萄糖分子形成中等强度的键，利于催化反应的发生(吸附)并在反应发生后及时脱去避免催化剂中毒(脱附)。第二种为“初期吸附水合氧化物中间体”模型[23]。最初研究观察到电极表面存在着活性金属原子，该活性金属原子具有较低的晶格稳定度和增强的反应性。这些活性金属原子可以吸附羟基被氧化形成氧化态金属OHads,这些氧化态金属对葡萄糖具有催化活性，可以将葡萄糖氧化为葡萄糖酸。

图4 (a)活化化学吸附模型；(b)初期吸附水合氧化物中间体模型[24]Fig 4 Concentric Adsorption theory with adjacent adsorption sites and the incipient hydrous oxide adatom mediator[24]

2 非生物催化剂发展现状

近年来，关于葡萄糖催化进行了大量研究。对于非植入式燃料电池，可以通过人为调节反应物的浓度，pH和温度等到最佳状态，而植入式燃料电池的运行条件则依赖于人体生理学环境。依据 “活化化学吸附模型”及“初期吸附水合氧化物中间体”模型，基于Ni、Cu、Co、Zn、Mn等过渡金属及其氧化物的研究大量开展[24]。在碱性环境下可以实现葡萄糖催化活性高、响应快速、长期稳定的特点。而在生理条件下，为确保足够的催化活性及生物相容性，基于以铂为代表的贵金属(Pt、Au、Pd)及其合金被用作阳极葡萄糖催化剂，在中性溶液中展现出优良的催化性能[1]。

然而非生物铂电极无法对葡萄糖进行选择性催化成为其关键缺点。在体液中葡萄糖和氧气两种底物以混合物形式存在，两种底物同时在阳极发生反应会产生化学短路，大大降低电池的输出功率。除此之外，尽管非生物催化剂不会像生物酶那样完全失活，但体液中存在的小分子物质(如氨基酸和生理浓度的有机小分子)会吸附在铂电极表面，造成铂催化剂中毒。在反应过程中，反应中间体或反应产物在催化剂表面上的吸附也会抑制进一步氧化的进行，影响其催化活性。尽管在植入方面进行了一些早期尝试，但电极的性能和稳定性表明生物燃料电池尚未发展到可行的可植入状态。最近的研究集中于探索克服铂电极缺点的方法。

2.1 非生物铂基催化剂

在电催化领域，催化活性的影响可分为两类：电子结构效应及表面结构效应。其中电子结构效应指电极材料的能带、表面态密度等对反应活化能的影响；而表面结构效应则指电极材料的表面结构(化学结构、原子排列结构等)。

2.1.1 电子结构效应的影响

催化剂活性中心的电子构型是影响电催化活性的一个主要因素。催化剂的合金化及表面修饰可有效降低反应的活化能。二元或三元金属纳米复合结构在兼具各组成金属性能的同时，在异质原子间可形成协同效应。对铂电极添加第二种金属或金属氧化物作为促进剂被认为是解决催化活性剂稳定性的最佳方法之一，其中大多数与过渡金属有关。过渡金属因含有空余的d轨道以及未成对的d电子，反应物分子与这些空余的d轨道可以形成特征的化学吸附，从而降低复杂反应的活化能。

Aso Navaee等通过微乳液共沉淀法合成了双金属FePt纳米颗粒用于葡萄糖氧化[25]。调节Fe和Pt的配比合成了不同类型的FePt颗粒。通过循环伏安法(CV)在含0.1 mol/L葡萄糖的PBS溶液中(pH=7.4)评估了不同比例的FePt电极的电催化性能。结果显示，随着Pt百分比从15%增加到85%，获得的电流强度提高了45倍，而当Pt百分比从85%增加到100%时，获得的电流强度急剧下降。随后使用Fe15Pt85用作阳极，在50 mmol/L葡萄糖溶液中进行循环伏安扫描。对比氧气吹扫前后，峰值电流下降值可忽略不计，显著提高了铂电极的葡萄糖催化活性及耐氧性。在非生物燃料电池的试验中，分别以Fe15Pt85纳米颗粒与负载有铂颗粒的氮掺杂石墨烯修饰的电极作为阳极和阴极进行组装。如下图所示(图5)，室温下生物燃料电池两极分别在含50 mmol/L葡萄糖和氧饱和条件的0.1 mol/L PBS溶液(pH 7.4)中运行，使用Nifion膜进行阴阳极的分割。产生最大电流密度为0.31 mA/cm2，最大功率密度为95 μW/cm2。当撤去隔板，在接近生理条件下，获得的最大电流密度为37 μA/cm2，功率密度为1.1 μW/cm2。

图5 在含50 mmol/L葡萄糖中运行的Pt/Fe葡萄糖燃料电池(a)电流-电压极化曲线和相应的(b)电压-功率行为；在近生理状态下无膜葡萄糖生物燃料电池(c)电流-电压极化曲线和相应的(d)电压-功率行为[25]Fig 5 Pt/Fe glucose fuel cell:(a)current-voltage polarization curve;(b)voltage-power behavior running in 50 mmol/L glucose;glucose biofuel cell without separator under near physiological conditions:(c)current-voltage polarization curve;(d)corresponding voltage-power behavior[25]

镍及其氧化物已被广泛应用于碱性环境下的葡萄糖催化。在碱性环境中，葡萄糖进行电氧化时，Ni(II)和Ni(III)会耦合在镍阳极表面上。Ni(OH)2被氧化为具有催化活性的NiOOH。吸附在电极表面的葡萄糖脱去氢原子形成自由基中间体，NiOOH吸附氢原子生成Ni(OH)2。最后，溶液中的羟基阴离子迅速氧化有机自由基中间体，形成葡萄糖酸[26]。由于NiOOH的催化作用取决于羟基阴离子，在中性溶液中无法完成电催化。在可植入葡萄糖燃料电池的相关研究中，Ni常用作催化助剂添加到铂中，利用二者之间的协同效应提高葡萄糖催化性能。

Yue Zhao等，使用电化学三步法在碳纳米管上沉积出三维(3D)花状PtNi合金[27]。与3D Pt电极及常规Pt/Ni合金电极相比，3D Pt/Ni合金电极显示出更优的催化活性。通过燃料电池I-V-P测试，评估不同Pt/Ni原子比的电极材料性能。随着Ni添加量的增加，电池电流密度逐渐增加，当Pt∶Ni为3∶7时达到最大，随后逐渐降低。在类体液环境下(葡萄糖浓度为3 mmol/L，氧饱和度7%)，3D Pt3Ni7/MWCNTs用作阳极的葡萄糖燃料电池获得了(0.786±0.005)V的开路电压，最大功率密度达到了(3.12±0.04)mW/cm2(如图6)。

图6 不同Pt,Ni比例下的电池功率密度和极化曲线[27]Fig 6 Battery power density and polarization curve under different ratios of Pt and Ni[27]

Tien Fu等提出了一种基于纳米结构的Pt/Au合金用作非酶葡萄糖燃料电池的阳极[28]。在具有均匀分布微半球阵列的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜表面上电化学沉积纳米Pt/Au合金，用作葡萄糖燃料电池阳极电极，阴极采用石墨烯改性的玻璃碳电极，使用Nafion膜进行阴阳两室的分隔。在中性溶液下催化葡萄糖，Pt/Au纳米合金电极显示出具有协同增强葡萄糖氧化的能力。在0.1 mol/L PBS缓冲液中，阳极加入5 mmol/L葡萄糖，阴极进行吹扫氧气并达到饱和状态。获得电池开路电压达0.42 V，最大功率密度为0.32 mW/cm2，电流密度为2.67 mA/cm2。

2.2.2 表面结构效应的影响

电催化剂的性能取决于其表面的化学结构(组成和形态)、几何结构(形态和形貌)、原子排列结构和电子结构，因此探明催化活性中心的表面原子排列结构十分重要。Pt低折射率表面上的葡萄糖电氧化反应在很大程度上取决于电极结构。在过去的研究中已经表明，单晶铂的葡萄糖电氧化是结构敏感的反应。不同结构的纳米晶体表面具有不同的晶面，各个晶面在反应中对分子的吸附和脱附的能力不同产生了不同的催化性能，影响催化剂的活性及选择性。在酸性[29]溶液及碱性[30]溶液中，Pt(111)显示出最高的葡萄糖催化活性，与Pt(100)和Pt(110)相比高出近一个数量级。这可能与Pt(111)的吸附强度较低，对毒物形成较不敏感有关。而在中性[31]溶液(0.1 mol/L PBS)中(图7)，对比三类低指数晶面在葡萄糖溶液中的第一次循环伏安扫描，Pt(100)表现出最优的催化活性，Pt(110)催化活性最低。而第二次循环伏安扫描后，Pt(100)催化活性急剧下降。这是由于与Pt(111)相比，在Pt(100)上更容易产生强吸附物质。Pt(100)在磷酸盐缓冲液中是氧化葡萄糖最活跃的表面，其活性主要与(100)位上环状碳酸酯的产生有关，但反应可能产生严重中毒反应。相比之下，Pt(111)是Pt低指数电极中毒最少的表面，或者说反应产生的中间体在该表面上的吸附较弱。

图7 (a)三类低指数晶面在葡萄糖溶液中的第一次循环伏安扫描；(b)Pt(110)第1、2次循环伏安扫描曲线对比(c)Pt(100)第1、2次循环伏安扫描曲线对比[32]Fig 7 The first cyclic voltammetry scan of three types of low-index crystal planes in glucose solution;comparison of Pt(110)scanning curves of the first and second cyclic voltammetry;comparison of Pt(100)scanning curves of the first and second cyclic voltammetry [32]

高指数晶面是指一组米勒指数{hkl}中至少具有一个大于1的指数，这些晶面具有高密度的原子台阶，壁架和纽结，通常用作破坏化学键的活性位点。多个相关研究已经证实，与紧密堆积的低指数面相比，高指数平面上具有很高的催化活性位点密度及更高的催化活性中心[32]。且多面体形貌与表面晶面之间具有直接联系[33]。近年来，针对高指数纳米多面体的报道呈现上升趋势，通过实现高指数面的暴露可以提高非生物铂基催化剂的葡萄糖催化性能。已通过不同方法成功制备出具有不同高指数晶面暴露的贵金属纳米晶。为实现高指数晶面的外露，需对铂纳米晶的生长进行控制。通常分为三类：表面活性剂的影响、无机离子的影响及反应条件的影响[34],(如图8)。

图8 不同制备方法获得的Pt凹面立方体结构(a)表面活性剂的影响[35]；(b)无机离子的影响[36]；(c)反应条件的影响[37]Fig 8 Pt concave cube structure obtained by different preparation methods:(a)the influence of surfactants [35];(b)the influence of inorganic ions [36];(c)the influence of reaction conditions [37]

表面活性剂具有亲水基团与疏水基团，溶于水后会自发形成球形或胶束状，作为模板实现金属离子前驱体的还原。除此之外，一些表面活性剂可以与金属前驱体形成复杂的络合物，降低反应速度，改变成核动力学。在晶体生长过程中，表面活性剂可以选择性吸附在纳米晶的某个晶面，限制晶体在该方向上的生长，改变晶体堆砌方向。例如PVP可以与铂原子的(111)、(100)晶面结合紧密，从而使反应更易生成多面体，而胺基则与铂原子各面结合力较弱，能够起到终止枝状结构生长的作用。

Bao 等使用油胺作为修饰剂，利用溶剂热法，在N，N二甲基甲酰胺(DMF)溶液中成功制备出了具有高度凹面{740}面的铂纳米框架[35]。对油胺的作用进行探究，在没有油胺的情况下，反应仅获得不规则球形的Pt纳米颗粒。当添加少量油胺时(10%)，获得约为20 nm的立方铂纳米晶体。随着添加量的增加(20%)，获得了具有凹面特性的Pt纳米框架。油胺量的进一步增加(40%)，生成了铂的八足体纳米晶。当添加量达到60%，观察到了更多的铂八足体纳米晶体以及一些多支化的铂纳米晶体。长链油胺分子最初会在Pt纳米颗粒的(100)表面上进行选择吸附，会诱导晶体沿[110]和[111]方向优先生长，从而促进凹形纳米结构的形成。这种高度凹入的结构提供了更具活性的表面结构，例如原子台阶，扭结，拐角和边缘，同时使表面积与体积之比最大化。这种情况将减少催化剂的负载并同时提高催化性能。

无机离子对晶体生长的影响与表面活性剂相似。一些无机离子可以与铂的前驱体反应来减缓铂晶粒的生长，控制晶核的生成，另一种是可特征吸附在铂的某一晶面上，改变铂原子在该镜面方向上堆砌的速度，控制晶体形貌。Zhicheng等研究发现，甘氨酸中同时存在胺基和羧基，二者协同作用有利于凹形纳米晶体的形成[36]。通过水热法，向反应体系中加入甘氨酸作为形貌控制剂，PVP为还原剂，在200 ℃下水热反应6 h，获得了具有{hk0}特征高指数晶面暴露的铂凹面立方体。当使用乙胺或乙酸替换甘氨酸时，没有发现具有特征形貌的铂立方体生成。

除了向反应体系中添加表面活性剂及无机离子外，还可以通过改变反应条件来进行控制。使用注射泵控制速率，可以在80℃常压下制备出具有凹面特性的铂立方体[37]。反应体系中添加焦磷酸钠，可与铂的前驱体形成更难还原的焦磷酸铂络合物，同时加入Br-选择吸附(100)面，降低[100]轴生长速度，使用注射泵向体系内缓慢滴加还原剂来控制还原速率。当还原速率快时，纳米晶体种子由于其高比表面能倾向于快速生成热力学稳定的形貌；当还原速度降低时对吸附稳定剂等的敏感度才会增加，生成择优取向形貌。

2.2 电极表面结构的影响

在过去的研究中已经证实，电极的表面结构(比表面积及粗糙程度等)对体液环境的葡萄糖催化具有显著影响。在一定氧浓度下，不同比表面积的铂电极用作阳极，可以显示出不同的电极电势。在生理条件下，低比表面积电池电位由氧还原反应支配，高比表面积电极电位由葡萄糖氧化反应决定。在光滑的电极结构(低比表面积)下，氧还原作用占电极电势的主要部分，这表明与葡萄糖氧化相比，氧还原反应的反应动力学更快。而在高比表面积下，因长的扩散途径导致氧气浓度显著降低，葡萄糖催化占据了主要部分[38]。除此之外，电极比表面积(粗糙程度)还与改善催化剂活性和抗中毒性有关。有研究发现，氨基酸等小分子在电极上的的吸附和解吸之间存在动态平衡，在存在氨基酸的情况下增加电极的比表面积会增加葡萄糖的氧化电流，这使基于铂电极的葡萄糖燃料电池在长期稳定的可植入发展迈进了一大步[39]。

3 结 语

目前关于可植入葡萄糖燃料电池的研究仍处于起步阶段。生物酶电极作为活性物质，由于易失活尚不能替代锂电池进行体内植入。而非生物铂电极选择性差、易中毒的特性使之在体液环境中的葡萄糖催化问题仍待解决。因此寻找一种可实现长期专一催化葡萄糖的阳极材料仍是巨大的挑战。通过对成分及结构设计，可以明显改善非生物葡萄糖催化材料的缺点，短期内实现葡萄糖的高效催化。然而目前这些研究主要在体外类体液环境中进行，若考虑复杂的体内环境植入，将迎来更多新的挑战。未来关于葡萄糖催化阳极材料的研究应着重于探究葡萄糖催化的完整机理，并在此基础上实现电极材料对葡萄糖和氧气的选择性催化，进一步向着可植入化、长期稳定化发展。