原则上，与酶氢化酶一起使用的燃料电池与含有昂贵的贵金属铂作为催化剂的燃料电池一样有效。然而，酶需要水环境，这使得反应起始材料 - 氢 - 难以到达酶负载电极。研究人员通过将先前开发的用于包装酶的概念与气体扩散电极技术相结合来解决该问题。以这种方式开发的系统实现了比先前用氢化酶燃料电池实现的显着更高的电流密度。

在Nature Communications杂志上，来自波鸿鲁尔大学电化学科学中心的团队，以及来自鲁尔河畔米尔海姆和里斯本大学的马克斯普朗克化学能转换研究所的同事，描述了他们如何开发和测试电极。该文章于2018年11月9日发表。

气体扩散电极的优点和缺点

气体扩散电极可以利用催化剂有效地将气态原料输送到电极表面进行化学反应。它们已经在各种系统中进行了测试，但催化剂直接电连接到电极表面。“在这种类型的系统中，只有一层酶可以应用于电极，这限制了电流的流动，”波鸿化学家阿德里安·鲁夫博士描述了一个缺点。此外，酶不受保护免受有害环境影响。然而，在氢化酶的情况下，这是必要的，因为它在氧气存在下是不稳定的。

氧化还原聚合物作为氧气保护屏蔽

近年来，波鸿电化学科学中心的化学家开发出一种氧化还原聚合物，它可以嵌入氢化酶并保护它们免受氧气的侵害。然而，以前，他们只在平面电极上测试了这种聚合物基质，而不是在多孔三维结构上测试，例如在气体扩散电极中使用的那些。

“多孔结构提供了大的表面积，从而实现了高酶负荷，”电化学科学中心主任Wolfgang Schuhmann教授说。“但目前尚不清楚这些结构上的氧气保护罩是否能够正常工作，以及该系统是否仍具有透气性。”

将酶应用于电极

制造过程的一个问题是电极是疏水的，即防水的，而酶是亲水的，即对水是友好的。因此，这两个表面倾向于相互排斥。出于这个原因，研究人员首先将粘合剂和电子转移层施加到电极表面，然后在第二步中将聚合物基质与酶一起施加到电极表面上。“我们专门合成了一种具有亲水性和疏水性的最佳平衡的聚合物基质，”Adrian Ruff解释道。“这是获得具有良好催化剂负载量的稳定薄膜的唯一途径。”

以这种方式构造的电极仍然可透过气体。测试还表明，聚合物基质还可用作多孔三维电极的氧气屏蔽。科学家们利用该系统实现了每平方厘米8毫安的电流密度。具有聚合物和氢化酶的早期生物阳极仅达到每平方厘米一毫安。

功能性生物燃料电池

该团队将上述生物阳极与生物阴极相结合，并表明可以这种方式生产功能性燃料电池。它实现了高达3.6毫瓦每平方厘米的功率密度和1.13伏的开路电压，刚好低于理论最大值1.23伏。