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Tackling the Challenges of Enzymatic (Bio)Fuel Cells

化学 可再生能源 燃料电池 工程类 生化工程 纳米技术 微生物燃料电池 电气工程 电极 化学工程 材料科学 阳极 物理化学
作者
Xinxin Xiao,Hong-qi Xia,Ranran Wu,Lu Bai,Lu Yan,Edmond Magner,Serge Cosnier,Élisabeth Lojou,Zhiguang Zhu,Aihua Liu
出处
期刊:Chemical Reviews [American Chemical Society]
卷期号:119 (16): 9509-9558 被引量:410
标识
DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00115
摘要

The ever-increasing demands for clean and sustainable energy sources combined with rapid advances in biointegrated portable or implantable electronic devices have stimulated intensive research activities in enzymatic (bio)fuel cells (EFCs). The use of renewable biocatalysts, the utilization of abundant green, safe, and high energy density fuels, together with the capability of working at modest and biocompatible conditions make EFCs promising as next generation alternative power sources. However, the main challenges (low energy density, relatively low power density, poor operational stability, and limited voltage output) hinder future applications of EFCs. This review aims at exploring the underlying mechanism of EFCs and providing possible practical strategies, methodologies and insights to tackle these issues. First, this review summarizes approaches in achieving high energy densities in EFCs, particularly, employing enzyme cascades for the deep/complete oxidation of fuels. Second, strategies for increasing power densities in EFCs, including increasing enzyme activities, facilitating electron transfers, employing nanomaterials, and designing more efficient enzyme-electrode interfaces, are described. The potential of EFCs/(super)capacitor combination is discussed. Third, the review evaluates a range of strategies for improving the stability of EFCs, including the use of different enzyme immobilization approaches, tuning enzyme properties, designing protective matrixes, and using microbial surface displaying enzymes. Fourth, approaches for the improvement of the cell voltage of EFCs are highlighted. Finally, future developments and a prospective on EFCs are envisioned.
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