酵素近傍のナノ構造制御による全固体型バイオ燃料電池の高電流密度化

• 研究課題/領域番号: 25820387
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 反応工学・プロセスシステム
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 田巻 孝敬 東京工業大学, 資源化学研究所, 講師 (80567438)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2014年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2013年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: バイオ燃料電池 / 材料システム設計 / 酵素 / グラフト重合 / 失活抑制 / 親水化処理 / カーボン / レドックスポリマー / 遺伝子改質 / ペプチドタグ

研究成果の概要

本研究では、酵素を触媒に用いるバイオ燃料電池について、酵素近傍のナノ構造により高電流密度化を図った。バイオ燃料電池は、生体に安全・安心なグルコースなどを燃料として利用できる次世代電池であるが、出力密度、特に電流密度が低いことが課題であった。これまでの研究により、低電流密度の要因は酵素が電極を構成するカーボン微粒子表面へ物理吸着する際の変性・失活であることが明らかになっている。本研究ではカーボン微粒子の表面修飾により酵素の物理吸着を大幅に抑制したうえで、電極へ酵素を固定化することで、高い電流密度を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Development of an aptamer-functionalized molecular recognition gating membrane targeting a specific protein on the basis of the aggregation phenomena of DNA-PNIPAM (2015)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Sugawara,Takanori Tamaki, and Takeo Yamaghchi
  • 雑誌名: Polymer 巻: ***** ページ: 86-93
  • DOI: 10.1016/j.polymer.2015.02.027
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Reducing Physical Adsorption of Enzymes by Surface Modification of Carbon Black for High-Current-Density Biofuel Cells (2014)
  • 著者名/発表者名: Takanori Tamaki, Tomoharu Sugiyama, Masahiro Mizoe, Yuhei Oshiba ,and Takeo Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of the Electrochemical Society 巻: vol. 161, No. 13 号: 13 ページ: H3095-H3099
  • DOI: 10.1149/2.0181413jes
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Redox Polymer Grafted onto Carbon Black Using 2,2′-Azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic Acid) as a Biocathode (2014)
  • 著者名/発表者名: Tomoharu Sugiyama, Takanori Tamaki, and Takeo Yamaguchi
  • 雑誌名: JOURNAL OF CHEMICAL ENGINEERING OF JAPAN 巻: 47 号: 8 ページ: 704-710
  • DOI: 10.1252/jcej.13we319
  • NAID: 130004677513
  • ISSN: 0021-9592, 1881-1299
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNA Molecular Recognition of Intercalators Affects Aggregation of Thermoresponsive Polymer (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Sugawara, Takanori Tamaki, and Takeo Yamaguchi
  • 雑誌名: Polymer Chemistry 巻: vol. 5, No. 16 号: 16 ページ: 4612-4616
  • DOI: 10.1039/c4py00600c
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Synthesis of 3D Graphite Oxide-Exfoliated Carbon Nanotube Carbon Composite and Its Application as Catalyst Support for Fuel Cells (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Wang, B. A. Kakade, T. Tamaki, T. Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of Power Sources 巻: 271 ページ: 346-353
  • DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.014
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Development of Redox Polymer Grafted onto Carbon Black using 2,2'-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) as a Biocathode (2014)
  • 著者名/発表者名: Tomoharu Sugiyama, Takanori Tamaki, Takeo Yamaguchi
  • 雑誌名: Journal of Chemical Engineering of Japan 巻: 印刷中
  • NAID: 130004677513
  • 査読あり
• [雑誌論文] Switchable Aggregation Phenomena of DNA-conjugated Poly(<i>N</i>-isopropylacrylamide) Driven by Transformation between ssDNA and dsDNA with Control of DNA Charges and Flexibility (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Sugawara, Takanori Tamaki, Hidenori Ohashi, Takeo Yamaguchi
  • 雑誌名: Chemistry Letters 巻: 42 号: 12 ページ: 1568-1570
  • DOI: 10.1246/cl.130794
  • NAID: 130004867851
  • ISSN: 0366-7022, 1348-0715
  • 査読あり
• [学会発表] Systematic material design using biomolecules (2015)
  • 著者名/発表者名: Takanori Tamaki
  • 学会等名: 249th ACS National Meeting & Exposition
  • 発表場所: Denver, CO, USA
  • 年月日: 2015-03-22 – 2015-03-26
  • 招待講演
• [学会発表] 電極上の固定化酵素活性向上へ向けた研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 森田直樹, 田巻孝敬, 大柴雄平, 山口猛央
  • 学会等名: 化学工学会 第80年会
  • 発表場所: 芝浦工業大学、東京
  • 年月日: 2015-03-19 – 2015-03-21
• [学会発表] 酵素バイオ燃料電池の高出力密度化へ向けた材料設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田巻孝敬
  • 学会等名: バイオ電池（微生物燃料電池／酵素型バイオ燃料電池）の特性から高効率化・高出力密度化の研究開発動向と発電・廃水処理技術
  • 発表場所: 新お茶の水・連合会館, 東京
  • 年月日: 2014-12-12
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular Recognition Gating Membrane Using DNA-conjugated Thermoresponsive Polymer (2014)
  • 著者名/発表者名: Takanori Tamaki, Yuuki Sugawara, Takeo Yamaguchi
  • 学会等名: IUMRS-ICA 2014
  • 発表場所: Fukuoka, Japan
  • 年月日: 2014-08-24 – 2014-08-30
• [学会発表] Molucular recognition gating membrane composed of DNA-conjugated thermoresponsive polymer (2014)
  • 著者名/発表者名: Takanori Tamaki, Yuuki Sugawara, Takeo Yamaguchi
  • 学会等名: The 10th International Congress on Membrane and Membrane Processes
  • 発表場所: Suzou, China
  • 年月日: 2014-07-21 – 2014-07-25
• [学会発表] バイオ燃料電池の高出力密度化へ向けた材料設計 (2014)
  • 著者名/発表者名: 田巻孝敬
  • 学会等名: 高分子学会 燃料電池材料研究会
  • 発表場所: 化学会館、東京
  • 年月日: 2014-06-13
  • 招待講演
• [学会発表] Surface Modification of Carbon for High Power Density Biofuel Cell Using High-Surface-Area Electrode Made of Redox-Polymer-Grafted Carbon (2014)
  • 著者名/発表者名: Takanori Tamaki, Masahiro Mizoe, Tomoharu Sugiyama, Takeo Yamaguchi
  • 学会等名: 225th ECS meeting
  • 発表場所: Orland, FL, USA
  • 年月日: 2014-05-11 – 2014-05-15
• [学会発表] バイオ燃料電池の性能向上へ向けたカーボンブラックの表面修飾 (2014)
  • 著者名/発表者名: 溝江 昌洋、 田巻 孝敬、 山口 猛央
  • 学会等名: 化学工学会 第79年会
  • 発表場所: 岐阜大学柳戸キャンパス（岐阜県）
• [学会発表] バイオ燃料電池の高電流密度化に向けたカーボンブラックの表面修飾 (2014)
  • 著者名/発表者名: 溝江 昌洋、 田巻 孝敬、 山口 猛央
  • 学会等名: 電気化学会第81回大会
  • 発表場所: 関西大学千里山キャンパス（大阪府）
• [学会発表] 材料機能システム設計に基づくバイオ燃料電池酵素電極の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田巻 孝敬、山口 猛央
  • 学会等名: 筑波化学技術懇話会
  • 発表場所: 産業技術総合研究所つくばセンター（茨城県）
• [学会発表] 生体分子を用いた機能材料システム開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 田巻 孝敬
  • 学会等名: 材料化学システム討論会2013
  • 発表場所: 松島センチュリーホテル（宮城県）
• [学会発表] DNAコンジュゲート感温性ポリマーを用いた分子認識材料の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 菅原 勇貴、田巻 孝敬、山口 猛央
  • 学会等名: 第62回 高分子討論会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス（石川県）
• [学会発表] High-Surface-Area Three-Dimensional Enzymatic Biofuel Cell Electrode (2013)
  • 著者名/発表者名: Takanori Tamaki, Takeo Yamaguchi
  • 学会等名: 2013 JSAP-MRS Joint Symposia
  • 発表場所: 同志社大学京田辺キャンパス（京都府）
• [学会発表] Molecular Recognition Material based on DNA-conjugated Thermoresponsive Polymer (2013)
  • 著者名/発表者名: Takanori Tamaki, Yuuki Sugawara and Takeo Yamaguchi
  • 学会等名: 23rd Annual Meeting of MRS-J
  • 発表場所: 横浜市開港記念会館（神奈川県）
• [学会発表] グルコースを燃料とする酵素型バイオ燃料電池の高出力密度化
  • 著者名/発表者名: 田巻 孝敬、山口 猛央
  • 学会等名: 有機エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 機械振興会館（東京都）
• [学会発表] 酵素型バイオ燃料電池の高出力密度化へ向けた材料システム開発
  • 著者名/発表者名: 田巻 孝敬
  • 学会等名: 2013 高分子・ハイブリッド材料研究センター若手フォーラム
  • 発表場所: 東北大学片平キャンパス（宮城県）
  • 招待講演