2018 Fiscal Year Research-status Report

Immobilization of mediators with high surface coverage for high-current-density biofuel cell

Research Project

Project/Area Number	18K04822
Research Institution	Tokyo Institute of Technology
Principal Investigator	田巻孝敬東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (80567438)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	バイオ燃料電池 / メディエータ / 酵素 / 材料システム設計 / アントラセン二量体 / フェロセン / 表面修飾 / グラフト重合
Outline of Annual Research Achievements	バイオ燃料電池は、触媒として酵素を用いることで、グルコースなどの生体に安全・安心な燃料が利用できるため、医療用補助具や携帯機器のポータブル電源として開発が期待されている。本研究では、バイオ燃料電池の電極表面構造について検討を行い、酵素が有する高い反応速度を活用して高電流密度化を実現する。従来の酵素電極における主要課題として、酵素-電極間で電子授受を行うメディエータを電極表面に高密度に固定化できないことが挙げられる。本研究では、カーボン表面に強く吸着するアントラセン二量体とメディエータをスペーサーを介して複合化し、カーボン微粒子表面を高密度かつ安定にメディエータで被覆した構造を構築する。本年度は、メディエータにフェロセン、スペーサーにアルキル鎖およびエチレングリコール鎖を用いて、アントラセン二量体との複合化を行った。得られた複合体をカーボン微粒子(カーボンブラック)と混合することにより固定化し、電気化学的な評価を行った。得られたフェロセン由来の酸化還元ピーク面積より被覆率を計算したところ、本研究グループで採用してきたグラフト重合より約40倍高密度に固定化できていることが分かった。また、電位サイクルを繰り返したところ、アントラセンを複合化していないメディエータは電位サイクルの増加に伴いピーク電流値が減少した一方で、アントラセンと複合化したメディエータは、スペーサーに依らず電流値がほとんど変化せず、電極へ安定に固定化されたことが示された。酵素Glucose oxidaseとの反応性を評価したところ、エチレングリコール鎖を用いた複合体では基質グルコースの存在下で触媒電流が得られたが、アルキル鎖を用いた複合体は触媒電流を示さず、スペーサーの可動性や長さが酵素との反応性に重要であることが示された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 新規な化合物であるアントラセン二量体とメディエータの複合体を合成し、アントラセン二量体との複合化により高密度かつ安定にメディエータの固定化ができること、およびスペーサー構造が酵素との反応性に重要であることを初年度の段階から示すことができたため、当初の計画以上に進展していると判断した。
Strategy for Future Research Activity	酵素および基質存在下で触媒電流が得られたものの、得られた電流密度は十分とはいえないため、スペーサー構造等について、さらなる検討を行う。また、酵素の固定化手法についての検討にも着手する。薄層電極で十分な電流密度が得られた段階で、厚膜化による高電流密度化についても検討する。