Chem. Rev.:生物电催化的基本原理、应用和未来发展方向

雨辰

2020-10-15

生物电催化是将生物催化和电催化结合起来的一个跨学科研究领域，它利用生物系统中的材料作为催化剂催化发生在电极上的氧化还原反应。生物电催化协同结合了生物催化和电催化的优点。生物催化具有活性高、选择性高、底物范围宽、反应条件温和等优点。电催化的优点包括可能利用可再生电力作为电子源和高能量转换效率。这些特性被整合起来，以实现选择性生物传感、有效的能量转换和多种产品的生产。

有鉴于此，美国犹他大学Shelley D. Minteer教授等人，系统、全面地阐述了生物电催化的基本原理，分析了存在的问题，总结了生物电催化的发展现状和应用，并展望了未来的发展方向。

本文要点

1）首先讨论了生物电催化剂的结构、功能和改性。其次，描述了生物电催化系统的基本要素，包括电子转移机理，电极材料和反应介质。第三，系统总结了生物电催化在生物传感器、燃料电池、太阳能电池、催化机理研究以及高价值化学物质的生物电合成等领域的应用。最后，展望了生物电催化的发展前景。

2）电化学酶和微生物生物传感器由于其在以下领域的广泛应用而成为生物电催化的核心应用：（1）监测环境样品，（2）评估食品和饮料以及（3）医学诊断。

生物传感平台，已发展为生物电催化技术中的未来生物技术趋势。即，最近的进展已朝着具有最小的样品预处理步骤和低功率要求的可穿戴传感技术（例如，基于纸的生物传感器和基于纹身的生物传感器）的小型化，多重检测分析以及适用的扩展。此外，自供电生物传感器已被设计成简单和低成本的设备，以满足个体分析和健康监测日益增长的需求。

3）需要阐明生物电催化剂中的电子转移机制，以有效地优化生物传感平台的灵敏度。还应检查适当的生物催化剂的选择，特别是微生物和酶会响应环境因素的变化而产生可测量的信号。未来的发展，特别是电化学微生物生物传感器的发展，应该集中在设计可以在极端条件下（例如高酸，盐水和/或极端温度设置）下实现检测的设备。因此，选择和适应能够在这种恶劣条件下生存的微生物是一个重要的未来方向。

参考文献：

Hui Chen et al. Fundamentals, Applications, and Future Directions of Bioelectrocatalysis. Chem. Rev., 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00472

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00472