Glucose oxidase anode for biofuel cell based on direct electron transfer

Ivnitski, Dmitri; Branch, Brittany; Atanassov, Plamen; Apblett, Christopher A.

doi:10.1016/j.elecom.2006.05.024

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“…Also, under the proper conditions, enzymes can be adsorbed or bound to the nanomaterials and then imaged on the nanoparticles. 52 Micellar structures in polymeric membranes can be imaged using TEM 53 by exchanging the cations on the hydrophilic side chains of Nafion with an easily reducible precious metal such as platinum, gold, or silver. Many reducing agents, such as hydroquinone or sodium borohydride, can then be used to form metal nanoparticles within the Nafion structure.…”

Section: Materials Characterizationmentioning

confidence: 99%

Analytical Techniques for Characterizing Enzymatic Biofuel Cells

2009

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The rapid depletion in global nonrenewable energy stores has prompted a dramatic increase in both academic and industrial research toward alternate means of energy conversion. Although improbable as a single solution to the problem, fuel cells provide many potential contributions in the form of performance combined with scalability. Fuel cells have demonstrated high levels of power production through the consumption of renewable resources in an easily engineered small scale device that operates under mild conditions and could potentially replace today's ubiquitous batteries. Many evaluate energy conversion devices on the basis of the amount of energy converted per unit volume [energy density (Whr/L)] or per unit mass [specific energy (Whr/kg)]. Fuel cells not only rival battery performance in these terms, but also do not require time-consuming charging and do not suffer from the severe hysteresis effects seen in secondary batteries. However, many of these devices use expensive precious metal catalysts that often limit their commercial viability. Passivation by carbon monoxide or other byproducts causes losses in power production over time, and these devices often require high temperatures and harsh conditions to operate efficiently.Thus, many researchers have looked to nature to assist in our current energy conversion needs. Because of biological versatility and efficiency, organisms are able to convert enormous amounts of energy from an incomparable range of chemical substrates. Many researchers have examined ways of harnessing this ability using biofuel cells. Biofuel cells replace the metal catalyst with a biological catalyst: a microbe, enzyme, or even organelle interacting with an electrode surface. 1-3 These types of catalysts offer great benefits in catalytic activity, specificity, and cost. However, development and full evaluation of these dynamic and often sensitive bioelectrochemical systems require a diverse range of expertise. This article will focus on the current techniques used to evaluate the integrity, kinetics, and performance of enzymatic biofuel cells and the applications of the devices. The techniques described span not only the obvious electroanalytical characterization methods needed to evaluate a power source or analytical device, but also common biological and materials characterization techniques. Enzymatic biofuel cells are in an early stage of development, so new analytical techniques are being employed to understand the advantages and limitations of this technology and the engineering design envelope for applications. SPECTROSCOPIC TECHNIQUESEnzymatic biofuel cells employ oxidoreductase enzymes capable of catalyzing redox reactions. Enzymes that are free in solution ROBERT GATES Anal. Chem. 2009, 81, 9538-9545 10

show abstract

Section: Materials Characterizationmentioning

confidence: 99%

Analytical Techniques for Characterizing Enzymatic Biofuel Cells

2009

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“…However, the imbedded FAD coenzyme has made it troublesome to achieve high current densities for direct electron transfer and it is not part of the traditional metabolic enzyme cascade for glucose, so it does not allow for deep oxidation of glucose. Current densities of up to 0.4 mA/cm 2 have been reported for glucose oxidase DET bioanodes [7], while current densities significantly greater than 1mA/cm 2 are common place for mediated electron transfer [17,18]. Another common problem discussed with glucose oxidase is that the enzyme is sensitive to oxygen, which needs to be considered when engineering the final fuel cell design and the applications for the biofuel cell.…”

Section: Enzyme Choicementioning

confidence: 99%

“…Glucose oxidase is a prime example of this type of enzyme and clearly the most commonly used enzyme in biofuel cells [4 -12]. Glucose oxidase-based bioanodes that oxidize glucose to gluconolactone have been developed employing both direct electron transfer (DET) [7,13] and mediated electron transfer (MET) mechanisms [11,12,14,15]. FAD is a bound co-factor (although not covalently bound) and the FAD/FADH 2 redox couple has a standard reduction potential of À 0.200 V vs. NHE [16].…”

Section: Enzyme Choicementioning

confidence: 99%

Oxidation of Biofuels: Fuel Diversity and Effectiveness of Fuel Oxidation through Multiple Enzyme Cascades

et al. 2010

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Enzymatic biofuel cells have employed a variety of fuels, including: glucose, fructose, methanol, ethanol, glycerol, lactate, pyruvate and ethylene glycol. This review describes the wealth of fuel diversity in enzymatic biofuel cells, along with the use of multi-enzyme cascades for deep or complete oxidation of biofuels at the anode of enzymatic biofuel cells. Deep or complete oxidation is a relatively new research area for enzymatic biofuel cells, but it is necessary to increase energy density and minimize product inhibition effects.

show abstract

“…No mecanismo de TME uma espécie redox ativa esta presente na superfície dos eletrodos 19,20 A observação desses dois tipos de mecanismos envolve a metodologia utilizada na imobilização da enzimas e tem sido destacados como um dos fatores de extrema importância no desempenho de BCs enzimáticas 21,22 as melhores estratégias em imobilização para aplicação em bioeletrônica, como o controle de grupos funcionais em superfícies sólidas.…”

Section: Mecanismos De Transferência De Elétronsunclassified

“…Embora ainda muito discutido 18 , esses dois mecanismos são propostos quando estratégias de obtenção de BCs enzimáticas. ChemElectroChem, v.1, n.11, p. 1751ChemElectroChem, v.1, n.11, p. -1777ChemElectroChem, v.1, n.11, p. , 2014 A observação desses dois tipos de mecanismos envolve a metodologia utilizada na imobilização da enzimas e tem sido destacados como um dos fatores de extrema importância no desempenho de BCs enzimáticas 21,22 , uma vez que a otimização da comunicação entre a enzima e o eletrodo proporciona uma melhoria em algumas propriedades da BC enzimática, como uma maior densidade de corrente e voltagens de cela unitária. …”

unclassified

Biocélula a combustível <i>on-chip</i> utilizando folhas individuais de grafeno

Iost¹

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DedicatóriaReservo esse espaço valioso para dedicar esse trabalho a minha família, sem a qual o seu apoio esse caminho não seria possível. Aos meus pais Rui Alberto Iost e Ana Fátima Michelin Iost, a minha irmã Simone Michelin Iost Giovani pelo apoio em todas as etapas da minha vida.A minha família pela convivência, muito mais do que especial para mim. Aos primos com quem desfruto de ótimos momentos: Matheus Paiola, Lais Paiola e Rodrigo Pimenta,Cristiano Iost e Aline Picelli, Sandro Lourenço do Prado.Aos meus amigos da república com quem eu convivi e pude desfrutar de grandes alegrias e momentos de descontração, crescimento pessoal e experiências: Vitor Nunes, Antônio Roseli Sanches e a todos do grupo Paz e Harmonia, muito obrigado pelos conselhos e pela orientação. AgradecimentosAo prof. Dr. Frank Nelson Crespilho pela orientação não somente durante o meu doutoramento mas desde o início da minha carreira científica no grupo de Polímeros Prof.Bernhard Gross, no Instituto de Física de São Carlos. O apoio científico, as discussões e o acompanhamento de perto nos projetos de pesquisa tanto no Brasil quanto no exterior foram de extrema importância para a minha formação acadêmica.O meu muito obrigado à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelas bolsas concedidas de doutorado (2012/15442-6) e bolsa de estágio de pesquisa no exterior (BEPE, 2013/15433-0) e apoio financeiro para realização dos projetos de pesquisa.Ao Prof. Dr. Klaus Kern, professor da Ècole Politechnique na Suíça e diretor do Instituto Max Planck e ao orientador no exterior e líder de grupo Dr. Kannan Balasubramanian pela disposição, dedicação e pela oportunidade de trabalhar em um instituto de excelência em pesquisa na área de dispositivos eletrônicos. As reuniões e discussões foram uma bagagem única na minha formação como pesquisador. Muito obrigado pela oportunidade.Aos professores do Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP) pela minha formação profissional, pela ajuda e conselhos em alguns momentos do curso que foram muito importantes para mim. "importante não é ver o que ninguém nunca viu, mas sim, pensar o que ninguém nunca pensou sobre algo que todo mundo vê" Arthur Schopenhauer ResumoA miniaturização de uma biocélula a combustível (BC) enzimática de glicose/O 2 para aplicação em dispositivos bioeletrônicos implantáveis representa um grande desafio em eletroquímica moderna. Isso porque é preciso desenvolver bioeletrodos com alta atividade bioeletrocatalítica, com enzimas fortemente ligadas a superfície eletródica. Além disso, o próprio processo de micromanipulação é desafiador, uma vez que é desejável obter biocélulas miniaturizadas e com alta densidade de potência. Para isso, desenvolveram-se bioânodos e biocátodos compostos por folhas de grafeno individuais modificadas com as enzimas glicose desidrogenase (GDh) e bilirrubina oxidase (BOx), respectivamente. Eletrodos de grafeno com área de 10 -3 cm 2 e espessura de 0,9 ± 0,2 nm foram utilizados em um microchip de Si/SiO 2 .Observou-se que o grafeno transferido par...

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Glucose oxidase anode for biofuel cell based on direct electron transfer

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Analytical Techniques for Characterizing Enzymatic Biofuel Cells

Analytical Techniques for Characterizing Enzymatic Biofuel Cells

Oxidation of Biofuels: Fuel Diversity and Effectiveness of Fuel Oxidation through Multiple Enzyme Cascades

Biocélula a combustível <i>on-chip</i> utilizando folhas individuais de grafeno

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