Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

5. Ферментативное электрохимическое восстановление кислорода

Создание биохимических топливных элементов неразрывно связано с разработкой кислородного электрода, осуществляющего электрохимическое восстановление кислорода. В "классической" электрохимии это одна из наиболее сложных проблем. Известно, что равновесный потенциал окисления-восстановления пары O22O, равный 1,23 В, устанавливается лишь на предварительно специально обработанной платине и в особо чистых растворах [548, 549]. Токи обмена кислорода на платине весьма малы и составляют 10-11 А/см2.

С другой стороны, существуют ферменты, которые активно восстанавливают кислород по четырехэлектронному механизму до воды без промежуточного образования в растворе перекиси водорода. Таких ферментов не очень много. Это цитохром-С-оксидаза, церулоплазмин, аскорбатоксидаза, лакказа. В рамках биоэлектрокатализа эти ферменты могут рассматриваться как потенциальные катализаторы реакции катодного восстановления кислорода. В работах [526, 550] описаны системы, в которых катализаторами восстановления кислорода служили пероксидаза и цитохром-С-оксидаза. Перенос электронов с электрода на активные центры фермента осуществляли медиаторы. Потенциал электрода, определяемый в этом случае отношением восстановленной и окисленной формы медиатора, составлял величину 0,6-0,8 В, что значительно ниже равновесного кислородного потенциала.

Ниже рассматриваются свойства ферментативного кислородного электрода, основанного на прямом обмене электронов между электродом и активным центром фермента [251, 546]. В качестве катализатора была использована лакказа Poluporos versicolor.

Лакказа является медьсодержащим ферментом, осуществляющим четырехэлектронное восстановление кислорода при использовании в качестве доноров различных ароматических аминов и фенолов. В активный центр фермента входят четыре иона меди, проводящие координированное восстановление кислорода. Лакказа - "типичный" фермент с точки зрения каталитической эффективности, найденное значение kкат = 200 с-1, значение KМ по кислороду равно 10-5 М. Механизм действия лакказы не достаточно ясен, наиболее сложный вопрос заключается в механизме "сложения" четырех электронов из одноэлектронных доноров, необходимых для восстановления кислорода. Современные данные по механизму катализа лакказой приведены в работах [551, 552].

Нами были исследованы возможности электрокаталитического действия лакказы. Как известно, электровосстановление кислорода в нейтральных или слабокислых растворах на углеродных материалах протекает со значительным перенапряжением [553]. Нами обнаружено, что введение в раствор лакказы в незначительных количествах (10-8 М) вызывает существенное смещение стационарного потенциала в область положительных значений и ускорение электровосстановления кислорода.

Электрохимические измерения проводили на электродах из сажи, пирографита, адсорбционным способом непосредственно на электрод, который выдерживали в растворе фермента в течение суток. В табл. 35 приведены значения стационарных потенциалов, полученных на электродах из различных материалов. В присутствии кислорода и лакказы наблюдается увеличение потенциала электрода. Максимальное значение потенциала +1,207 В, близкое к равновесному потенциалу кислородного электрода, устанавливается на электродах из сажи, которые предварительно выдерживали в растворе лакказы (10-5 М) в течение суток.

Таблица 35. Значения стационарного потенциала (В), устанавливающегося на электродах из различных материалов в отсутствие и в присутствии 4-10-7 М лакказы [251]
Таблица 35. Значения стационарного потенциала (В), устанавливающегося на электродах из различных материалов в отсутствие и в присутствии 4⋅10-7 М лакказы [251]

* (Приведены средние значения, взятые по 12 опытам. Отклонения от среднего значения не превышают 15 мВ.)

Адсорбция фермента на электродах из сажи практически необратима. После иммобилизации электрод сохраняет каталитические свойства в отсутствие лакказы в растворе. Ферментативная природа электрокатализа была доказана специфическим ингибированием электрокаталитических эффектов фторид- и азид-ионами, инактивацией прогреванием, сопоставлением рН-зависимости электрокаталитических эффектов и каталитической активности в реакции окисления феррицианид-иона кислородом. На рис. 78 приведены зависимости стационарного потенциала и потенциала при различном токосъеме для сажевого электрода с иммобилизованной лакказой от pH. Поляризационные кривые электрода с различным содержанием фермента даны на рис. 79. Эффект ингибирования электрокаталитических эффектов азид-ионом иллюстрирует рис. 80, на котором приведены поляризационные кривые электрода из сажи, сажевого электрода с иммобилизованным ферментом и ферментного сажевого электрода с иммобилизованным ферментом в присутствии 1 мМ NaN3.

Рис. 78. Зависимость потенциала электрода с иммобилизованной лакказой от pH: 1 - стационарный потенциал (i = 0); 2 - потенциал при i = 17,5 мкА; 25°С; 0,01 М ацетата фосфата натрия
Рис. 78. Зависимость потенциала электрода с иммобилизованной лакказой от pH: 1 - стационарный потенциал (i = 0); 2 - потенциал при i = 17,5 мкА; 25°С; 0,01 М ацетата фосфата натрия

Рис. 79. Потенциостатические поляризационные кривые катодного восстановления кислорода, снятые на вращающемся дисковом электроде из сажи, нанесенной на пирографит. Концентрация лакказы, вводимой в раствор: 1 - 0; 2 - 2-10-9 М; 3 - 6-10-9 М; 4 - 10-8 М, скорость вращения электрода 610 об/мин
Рис. 79. Потенциостатические поляризационные кривые катодного восстановления кислорода, снятые на вращающемся дисковом электроде из сажи, нанесенной на пирографит. Концентрация лакказы, вводимой в раствор: 1 - 0; 2 - 2⋅10-9 М; 3 - 6⋅10-9 М; 4 - 10-8 М, скорость вращения электрода 610 об/мин

Рис. 80. 1 - Поляризованные кривые, снятые на электроде из сажи с иммобилизованной лакказой в атмосфере кислорода; 2 - контрольный опыт на электроде из сажи без фермента; 3 - электрод из сажи с иммобилизованным ферментом в присутствии 1 мМ NaN3
Рис. 80. 1 - Поляризованные кривые, снятые на электроде из сажи с иммобилизованной лакказой в атмосфере кислорода; 2 - контрольный опыт на электроде из сажи без фермента; 3 - электрод из сажи с иммобилизованным ферментом в присутствии 1 мМ NaN3

Экспериментально было обнаружено, что стационарный потенциал электрода зависит от парциального давления кислорода и pH раствора. Для выяснения природы стационарного потенциала, устанавливающегося на электроде с иммобилизованной лакказой, были исследованы зависимости φст от парциального давления кислорода (табл. 36) и pH раствора. Найдено, что ∂φст/∂lgPo2 составляет 10-12 мВ, ∂φст/∂pH составляет 60 мВ. Эти значения близки к коэффициентам в уравнении Нернста для системы О22О. В специальном эксперименте на вращающемся дисковом электроде было показано, что в случае электрохимического восстановления кислорода иммобилизованной лакказой отсутствует перекись водорода, выделяющаяся в раствор. Исследование системы методом вращающегося диска с кольцом не обнаружило в растворе промежуточной перекиси водорода. Рассмотрение всех имеющихся экспериментальных данных позволяет считать, что наблюдаемый электрохимический процесс на электроде с иммобилизованной лакказой определяется реакцией четырехэлектронного восстановления кислорода до воды:

(4.32)
Таблица 36. Зависимость стационарного потенциала от парциального давления кислорода
Таблица 36. Зависимость стационарного потенциала от парциального давления кислорода

Величина тока, снимаемого с электрода, при заданном потенциале зависит от количества иммобилизованной лакказы и в принципе выходит на пределы, предсказанные кинетической моделью биоэлектрокатализа.

Кислородные электроды на основе иммобилизованной на саже лакказы достаточно стабильны. Из рис. 81 видно, что эксплуатация электрода в течение 50 ч не приводит к заметному падению потенциала.

Рис. 81. Стабильность электрода из сажи с иммобилизованной лакказой при токе поляризации 87,5 мкА
Рис. 81. Стабильность электрода из сажи с иммобилизованной лакказой при токе поляризации 87,5 мкА

Таким образом, полученные результаты показывают возможность электрокатализа ферментом реакции восстановления кислорода по механизму прямого безмедиаторного переноса электронов по цепи электрод-активный центр - молекула кислорода. Возможность прямого переноса электронов с электрода на активный центр фермента связана, по-видимому, со специфической ориентацией фермента на поверхности электрода. Как известно, лакказа активно окисляет гидрофобные ароматические соединения. Можно думать, что сорбция лакказы на поверхности электрода идет с участием гидрофобной области активного центра фермента.

Полученные результаты создают возможность разработки эффективных электродов биоэлектрокаталитического восстановления кислорода.

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'