河南师范大学在可植入式生物燃料电池新型正极催化剂研究方面取得新进展

　　近日，河南师范大学杨林教授团队在可植入式生物燃料电池新型正极催化剂研究方面取得重要进展，研究成果以“In Situ Engineering of Intracellular Hemoglobin for Implantable High Performance Biofuel Cells”为题，在线发表于Angewandte Chemie International Edition 杂志，并被Nature Review Materials以“BIOFUEL CELLS: Powered by blood”为标题将这一成果作为研究亮点进行了专题报道。

　　随着高科技的发展，可植入人体的心脏起搏器等生物医用装置需要合适的微型电源驱动，因此可植入的生物燃料电池受到广泛的关注。然而目前该领域面临的挑战是如何提高电池的功率密度、寿命及稳定性，这与催化剂的性能密切相关。就阴极而言，目前使用的催化剂主要是生物酶，但其催化性能远不能满足实际需要。为了提高其性能当前研究主要集中在电极的修饰、酶催化剂的固定、电子传输介质的改善等方面，这些方法面临的问题是：如何避免催化剂失活、提高稳定性、增加材料的生物相容性和催化剂的选择性等。杨林教授团队另辟蹊径，基于人体血红细胞(RBC)研究出了高性能的细胞电催化剂，可直接用于电催化氧还原反应(ORR)。

　　杨林教授团队以RBC为原料，通过温和的离子分步渗透方法，原位合成了细胞内含有超小纳米羟基磷灰石（HAP）与血红蛋白结合的工程化红细胞(NERBC)。与天然的RBC比较，生成的NERBC的生物学性质没有变化，然而通过纳米材料对蛋白的作用促进了细胞对氧气的吸附和电催化ORR的性能。测试结果表明，NERBC有着优异的电催化性能，其起峰电位为0.47 V（vs. RHE），最大电流密度是2.67 mA cm-2，且稳定性良好。并且它有很好的选择性，在研究的电压范围内对负极燃料葡萄糖没有明显的催化活性，这为获得无隔膜生物燃料电池奠定了基础。当模拟血液成分，分别以葡萄糖和氧气为电极反应原料、以NERBC为正极催化剂组装成无隔膜生物燃料电池后，表现出优秀的电池性能。机理研究表明， NERBC的优秀性能主要是由于胞内HAP中的-OH与Hb相互作用，促进了Fe2+与O2的结合，从而使其吸氧能力增加，同时使O-O的键长增加结合能减弱，有利于被还原。此研究结果为纳米材料调控细胞的性能，以便用于生物医用器件开辟了新的道路，也可为其它领域提供借鉴。NERBC优异的生物相容性以及对ORR的直接催化能力，使得其成为可植入式生物燃料电池良好的备选材料。

　　河南师范大学杨林教授团队长期从事仿生纳米结构电催化剂及纳米结构调控细胞性能方面的研究工作，取得了系列研究成果，在国际著名期刊，如Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Functional Materials及Advanced Energy Materials上发表了一系列论文。

　　博士研究生陈会锋及青年教师白正宇博士为该文章共同第一作者。该研究获得国家自然科学基金 (Grant No. 21571053 and 51872075)等项目的资助。