JP7400438B2 - Electrodes for enzyme power generation devices and enzyme power generation devices - Google Patents
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Description
本発明は、酵素発電デバイス用電極、および酵素発電デバイスに関する。 The present invention relates to an electrode for an enzyme power generation device and an enzyme power generation device.
現在、開発が進められている酵素発電デバイスは、糖やアルコール、有機酸等の有機物を燃料にして、酵素反応により生成した電子の有する電気エネルギーを利用する発電型デバイスである。
近年では、酵素発電デバイスから取り出した電気エネルギーを電源として使う以外にも、酵素が持つ基質選択性を利用し、糖やアルコール等の有機物をセンシングするための自己発電型センサーとして利用する方法も提案されている。自己発電型センサーは発電と有機物センシング機能を併せ持つため、電源フリーによる小型軽量化、低コスト化が可能となることに加え、酵素による微小量検知や高い基質選択性に由来する高いセンシング精度が特長となる。そのため、生体向けのウェアラブルデバイスやインプラントデバイス等に使われるセンサー用電源としての利用が期待されている。
他方、酵素発電デバイスにおいては、負極及び正極に酸化還元酵素を含み、多種多様な有機物と空気中の酸素を燃料として発電するエネルギーシステムであり、常温作動、豊富な有機エネルギー源、環境・生体への高い安全性等、複数の利点がある一方、出力安定性、寿命、コスト等に関する課題もある。
Enzyme power generation devices currently under development are power generation devices that use organic substances such as sugar, alcohol, and organic acids as fuel and utilize the electrical energy of electrons generated through enzymatic reactions.
In recent years, in addition to using the electrical energy extracted from enzyme power generation devices as a power source, a method has also been proposed that utilizes the substrate selectivity of enzymes to use them as self-power-generating sensors for sensing organic substances such as sugars and alcohols. has been done. Self-power generation sensors have both power generation and organic matter sensing functions, so they are smaller, lighter, and less expensive because they do not require a power source.They also feature high sensing accuracy due to minute amount detection using enzymes and high substrate selectivity. becomes. Therefore, it is expected to be used as a power source for sensors used in wearable devices and implant devices for living organisms.
On the other hand, enzyme power generation devices contain redox enzymes in the negative and positive electrodes, and are energy systems that generate electricity using various organic substances and oxygen in the air as fuel. Although it has several advantages such as high safety, there are also issues regarding output stability, lifespan, cost, etc.
上記課題の解決に向け、これまでに様々な対策が取られてきた。例えば、発電性能向上に向け、多孔性カーボンを用いたポーラス型酵素燃料電池(特許文献1)や、水に不溶な親水性バインダーを用いた電極を作製し、酵素液の染みこみを改善させる方法(特許文献2)、また、酵素の寿命向上に向け、電解質の酸性基との接触による酵素の失活を緩和するために電極と電解質膜との間に保護膜を備える方法(特許文献3)、光硬化性樹脂を用いて酵素の溶出を抑制する方法(特許文献4)などが報告されている。しかし、性能や安定性が低い、用途が限定される等いずれも十分とは言えず、現状において発電性能に関する課題が解消されているとは言い難い。 Various measures have been taken so far to solve the above problems. For example, to improve power generation performance, a porous enzyme fuel cell using porous carbon (Patent Document 1) and an electrode using a hydrophilic binder that is insoluble in water are created to improve the penetration of enzyme solution. (Patent Document 2), and a method of providing a protective film between the electrode and the electrolyte membrane in order to alleviate the deactivation of the enzyme due to contact with the acidic group of the electrolyte, in order to extend the life of the enzyme (Patent Document 3) , a method of suppressing enzyme elution using a photocurable resin (Patent Document 4), etc. have been reported. However, it cannot be said that the performance and stability are low, the applications are limited, etc., and it is difficult to say that the problems related to power generation performance have been solved at present.
本発明の目的は、酵素発電デバイスを構成する酵素発電デバイス用電極を提供することである。本発明の酵素発電デバイス用電極を用いることにより、発電性能に優れた酵素発電デバイスを提供可能となる。 An object of the present invention is to provide an electrode for an enzyme power generation device that constitutes an enzyme power generation device. By using the electrode for an enzyme power generation device of the present invention, it is possible to provide an enzyme power generation device with excellent power generation performance.
本発明者は、導電材及び樹脂材料を少なくとも含有し、電極の親水度が0.15~1.0である酵素発電デバイス用電極において、上記課題が解決することを見出し、本発明に至った。 The present inventor has found that the above-mentioned problems can be solved in an electrode for an enzyme power generation device that contains at least a conductive material and a resin material and has a hydrophilicity of 0.15 to 1.0, and has arrived at the present invention. .
すなわち、本発明は、導電材及び樹脂材料を少なくとも含有し、電極の親水度が0.15~1.0である酵素発電デバイス用電極に関する。 That is, the present invention relates to an electrode for an enzyme power generation device that contains at least a conductive material and a resin material and has a hydrophilicity of 0.15 to 1.0.
また本発明は、樹脂材料が、水溶性樹脂を含む前記酵素発電デバイス用電極に関する。 The present invention also relates to the electrode for an enzyme power generation device, wherein the resin material includes a water-soluble resin.
また本発明は、水溶性樹脂が、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリル酸、及びカルボキシメチルセルロースからなる群から選ばれる少なくとも1種の水溶性樹脂を含む前記酵素発電デバイス用電極に関する。 The present invention also relates to the electrode for the enzyme power generation device, wherein the water-soluble resin includes at least one water-soluble resin selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polystyrene sulfonic acid, polyacrylic acid, and carboxymethylcellulose.
また本発明は、導電材が、導電性炭素材料を含む前記酵素発電デバイス用電極に関する。 The present invention also relates to the electrode for the enzyme power generation device, wherein the conductive material includes a conductive carbon material.
また本発明は、導電性炭素材料が、カーボンブラック、グラフェン系炭素材料、カーボンナノチューブ、及び黒鉛からなる群から選ばれる少なくとも1種の導電性炭素材料を含む前記酵素発電デバイス用電極に関する。 The present invention also relates to the electrode for the enzyme power generation device, wherein the conductive carbon material includes at least one conductive carbon material selected from the group consisting of carbon black, graphene-based carbon materials, carbon nanotubes, and graphite.
また本発明は、導電性炭素材料が、酸化処理された導電性炭素材料を含む前記酵素発電デバイス用電極に関する。 The present invention also relates to the electrode for the enzyme power generation device, wherein the conductive carbon material includes an oxidized conductive carbon material.
また本発明は、さらに、酸化還元酵素を含有する前記酵素発電デバイス用電極に関する。 The present invention further relates to the electrode for the enzyme power generation device containing an oxidoreductase.
また本発明は、前記酵素発電デバイス用電極を具備する酵素発電デバイスに関する。 The present invention also relates to an enzyme power generation device comprising the enzyme power generation device electrode.
また本発明は、燃料及び/またはセンシング対象物が、グルコース、乳酸、及びフルクトースからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む前記酵素発電デバイスに関する。 The present invention also relates to the enzyme power generation device, in which the fuel and/or the sensing object includes at least one selected from the group consisting of glucose, lactic acid, and fructose.
本発明の目的は、酵素発電デバイスを構成する酵素発電デバイス用電極、およびそれを用いた酵素発電デバイスを提供することである。本発明の酵素発電デバイス用電極を用いることにより、それを具備する発電性能の優れた酵素発電デバイスを提供することが可能となる。 An object of the present invention is to provide an electrode for an enzyme power generation device that constitutes an enzyme power generation device, and an enzyme power generation device using the same. By using the electrode for an enzyme power generation device of the present invention, it is possible to provide an enzyme power generation device equipped with the electrode and having excellent power generation performance.
以下、詳細に本発明について説明する。尚、本明細書では、「樹脂」を「重合体」ということがある。又、「酵素発電デバイス用電極」を、単に「電極」ということがある。又、「酵素発電デバイス用電極組成物」を、単に「組成物」ということがある。 The present invention will be explained in detail below. In addition, in this specification, "resin" may be referred to as "polymer." Further, the "electrode for enzyme power generation device" may be simply referred to as "electrode." Moreover, the "electrode composition for an enzyme power generation device" may be simply referred to as a "composition."
<酵素発電デバイス用電極>
酵素発電デバイス用電極は、導電材と樹脂材料とを少なくとも含む。本発明の酵素発電デバイス用電極は後述する酵素発電デバイス用電極組成物を導電性支持体(カーボンペーパーや後述する導電層など)やセパレータ等の基材などに直接塗布し乾燥させたり、転写基材などに前記組成物を塗布し乾燥することにより形成された塗膜を前記導電性支持体やセパレータ等に転写したりして作製される。
上記組成物の塗布方法としては、特に限定されるものではなく、例えば、ナイフコーター、バーコーター、ブレードコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター、スクリーン印刷等の一般的な方法を適用できる。
<Electrode for enzyme power generation device>
The electrode for an enzyme power generation device includes at least a conductive material and a resin material. The electrode for an enzyme power generation device of the present invention can be prepared by directly applying an electrode composition for an enzyme power generation device (described later) to a base material such as a conductive support (such as carbon paper or a conductive layer to be described later) or a separator and drying it, or It is produced by applying the composition to a material and drying it to form a coating film, and then transferring it to the conductive support, separator, etc.
The method for applying the composition is not particularly limited, and examples include general methods such as knife coater, bar coater, blade coater, spray, dip coater, spin coater, roll coater, die coater, curtain coater, and screen printing. methods can be applied.
本発明の酵素発電デバイス用電極は必要により酵素やメディエータを含んでいても良い。酵素やメディエータを担持する方法は、後述する酵素発電デバイス用電極組成物に酵素やメディエータを含ませても良いし、塗布後乾燥した塗膜に後から担持を行っても良い。後から行う場合では、酵素やメディエータを溶解させた液を上記塗膜に浸漬等させた後、乾燥させて担持する方法等が使用できる。
酵素発電デバイス用電極は、酵素を含む酵素発電デバイス用電極組成物から作製した塗膜をそのまま使用したり、酵素を含む酵素発電デバイス用電極組成物から作製した塗膜に更に酵素を担持して使用したり、酵素を含まない酵素発電デバイス用電極組成物から作製した塗膜に酵素を担持して使用したり、酵素を含まない酵素発電デバイス用電極組成物から作製した塗膜をそのまま使用したりして、後述する酵素発電デバイス用負極や酵素発電デバイス用正極として使用される。
The electrode for an enzyme power generation device of the present invention may contain an enzyme or a mediator if necessary. As for the method of supporting enzymes and mediators, enzymes and mediators may be included in the electrode composition for an enzyme power generation device, which will be described later, or may be supported on a coating film that has been dried after application. If it is carried out later, a method can be used in which the coating film is immersed in a solution in which the enzyme or mediator is dissolved, and then dried and supported.
Electrodes for enzyme power generation devices may be prepared by using a coating film prepared from an enzyme-containing electrode composition for enzyme power generation devices as is, or by further supporting an enzyme on a coating film prepared from an enzyme-containing electrode composition for enzyme power generation devices. The coating film prepared from the electrode composition for enzyme power generation devices that does not contain enzymes can be used as an enzyme, or the coating film prepared from the electrode composition for enzyme power generation devices that does not contain enzymes can be used as is. It is used as a negative electrode for an enzyme power generation device and a positive electrode for an enzyme power generation device, which will be described later.
本発明の酵素発電デバイス用電極においては、電極中で酵素の酸化還元反応が生じる。酵素反応に必要な電子やイオン、燃料などが効率的に運ばれることで反応が進行する。そのため、本発明の酵素発電デバイス用電極においては、比表面積が大きく、導電性が高い方が好ましい。比表面積が大きいほど、電子やプロトン、燃料・酸素などとの反応場が多くなり好ましい。また、導電性が高いほど、電極中における酸化還元反応に必要な電子を酵素やメディエータに供給できるため、電流の増加に繋がりやすく、好ましい。 In the electrode for an enzyme power generation device of the present invention, an enzyme redox reaction occurs in the electrode. Reactions progress by efficiently transporting the electrons, ions, fuel, etc. necessary for enzymatic reactions. Therefore, in the electrode for an enzyme power generation device of the present invention, it is preferable that the specific surface area is large and the electrical conductivity is high. The larger the specific surface area, the more reaction sites with electrons, protons, fuel, oxygen, etc., which is preferable. Further, the higher the conductivity, the more electrons necessary for the redox reaction in the electrode can be supplied to enzymes and mediators, which is more likely to lead to an increase in current, which is preferable.
本発明における酵素発電デバイス用電極は、水を吸着質としたBET比表面積(BETH2O)と窒素を吸着質とした比表面積(BETN2)の比(BETH2O/BETN2)で示される表面親水度の範囲が0.15~1.0であると電極中におけるイオンや燃料の伝達に有利となり好ましい。親水度が0.15以上あると電極中におけるイオンや燃料の伝達に有利となり、効率的に酵素反応が進行しやすくなる一方、1.0を超過すると電解液等に対する電極表面の親和性が過度に高くなることで、担持されている材料(酵素やメディエータ、樹脂など)が電解液等に溶出しやすくなる恐れがある。
親水度は、より好ましくは、0.2~0.9、更に好ましくは、0.2~0.7である。
The electrode for an enzyme power generation device in the present invention has a surface hydrophilicity represented by the ratio (BET H2O /BET N2 ) of the BET specific surface area with water as an adsorbent (BET H2O ) and the specific surface area with nitrogen as an adsorbent (BET N2 ). A range of 0.15 to 1.0 is preferable because it is advantageous for the transmission of ions and fuel in the electrode. If the hydrophilicity is 0.15 or more, it will be advantageous for the transfer of ions and fuel in the electrode, making it easier for the enzyme reaction to proceed efficiently. On the other hand, if it exceeds 1.0, the affinity of the electrode surface for the electrolyte etc. will be excessive. If the temperature increases, the supported materials (enzymes, mediators, resins, etc.) may easily dissolve into the electrolyte and the like.
The hydrophilicity is more preferably 0.2 to 0.9, still more preferably 0.2 to 0.7.
本発明における酵素発電デバイス用電極の親水度を制御する手段として、下記が挙げられる。親水度の向上には、電極への親水化処理として、加熱による酸化処理や、プラズマ処理、UV-オゾン処理、親水材料の表面コートなどが挙げられ、電極用組成物への親水化処理として、親水性の高い水溶性樹脂や界面活性剤などの添加、表面処理した導電材の使用などが挙げられる。これらを単独、または2種以上の方法を併せて使用してもよい。また、親水度の低減には、電極へのフッ素系などの撥水材料の表面コートや添加などが挙げられる。 Examples of means for controlling the hydrophilicity of the electrode for an enzyme power generation device in the present invention include the following. To improve the hydrophilicity, hydrophilic treatments for electrodes include oxidation treatment by heating, plasma treatment, UV-ozone treatment, surface coating with hydrophilic materials, etc. Hydrophilic treatments for electrode compositions include: Examples include adding highly hydrophilic water-soluble resins and surfactants, and using surface-treated conductive materials. These methods may be used alone or in combination of two or more. In addition, examples of reducing the degree of hydrophilicity include surface coating or addition of a water-repellent material such as a fluorine-based material to the electrode.
<導電材>
次に、導電材について説明する。導電材は電極での電子伝導性を高め酸化還元反応を進めやすくするために含有される。ここでは主に導電性炭素材料を挙げるが、これに限るものではない。本発明に用いる導電材である導電性炭素材料としては、導電性を有する炭素材料であれば特に限定されるものではないが、カーボンブラック(ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ミディアムサーマルカーボンブラック)、活性炭、黒鉛、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、グラフェン系炭素材料(グラフェン、グラフェンナノプレートレットなど)、ナノポーラスカーボン、炭素繊維等を単独、もしくは2種類以上併せて使用することができる。上記の中でも、カーボンブラック、グラフェン系炭素材料、カーボンナノチューブ、黒鉛は導電性や比表面積などが高く、上記酸化還元反応を進めるのに有利となるため好ましい。
<Conductive material>
Next, the conductive material will be explained. The conductive material is contained in order to increase the electron conductivity at the electrode and facilitate the progress of the oxidation-reduction reaction. Although conductive carbon materials are mainly mentioned here, the material is not limited to this. The conductive carbon material that is the conductive material used in the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, but includes carbon black (furnace black, acetylene black, Ketjen black, medium thermal carbon black). ), activated carbon, graphite, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, graphene-based carbon materials (graphene, graphene nanoplatelets, etc.), nanoporous carbon, carbon fibers, etc. can be used alone or in combination of two or more types. . Among the above, carbon black, graphene-based carbon materials, carbon nanotubes, and graphite are preferable because they have high conductivity and specific surface area, and are advantageous for proceeding with the redox reaction.
カーボンブラックとしては、気体もしくは液体の原料を反応炉中で連続的に熱分解し製造するファーネスブラック、特にエチレン重油を原料としたケッチェンブラック、原料ガスを燃焼させて、その炎をチャンネル鋼底面にあて急冷し析出させたチャンネルブラック、ガスを原料とし燃焼と熱分解を周期的に繰り返すことにより得られるサーマルブラック、特にアセチレンガスを原料とするアセチレンブラックなどの各種のものを単独で、もしくは2種類以上併せて使用することができる。また、通常行われている酸化処理されたカーボンブラックや、中空カーボン等も使用できる。 Carbon black is produced by continuously pyrolyzing gaseous or liquid raw materials in a reactor, especially Ketjen black made from ethylene heavy oil, which burns the raw material gas and uses the flame to pass through the bottom of the channel steel. Various types of black, such as channel black precipitated by quenching and precipitating, thermal black obtained by periodically repeating combustion and thermal decomposition using gas as a raw material, and acetylene black made from acetylene gas in particular, can be used alone or in combination. More than one type can be used in combination. Further, commonly used oxidized carbon black, hollow carbon, etc. can also be used.
用いるカーボンブラックの比表面積は、値が大きいほど、カーボンブラック粒子どうしの接触点が増えるため、電極の内部抵抗を下げるのに有利となると共に、酵素の炭素表面への担持量が増加するため有効である。具体的には、窒素の吸着量から求められる比表面積(BET)で、20m2/g以上、1500m2/g以下、好ましくは50m2/g以上、1500m2/g以下、更に好ましくは100m2/g以上、1500m2/g以下のものを使用することが望ましい。 The larger the specific surface area of the carbon black used, the more contact points between carbon black particles, which is advantageous for lowering the internal resistance of the electrode, and the more effective it is because the amount of enzyme supported on the carbon surface increases. It is. Specifically, the specific surface area (BET) determined from the amount of nitrogen adsorption is 20 m 2 /g or more and 1500 m 2 /g or less, preferably 50 m 2 /g or more and 1500 m 2 /g or less, more preferably 100 m 2 It is desirable to use one with a surface area of 1,500 m 2 /g or more and 1,500 m 2 /g or less.
導電性炭素材料は、親水性を高めるため表面に酸化処理を施したものを使用してもよい。酸化処理の方法としては、例えば、空気やオゾン、酸化窒素などに気相酸化処理や、酸化力のある酸や過酸化水素、過マンガン酸カリウムなどの化学酸化処理などが挙げられる。 The conductive carbon material may have its surface subjected to oxidation treatment in order to increase its hydrophilicity. Examples of oxidation treatment methods include gas phase oxidation treatment using air, ozone, nitrogen oxide, etc., and chemical oxidation treatment using oxidizing acids, hydrogen peroxide, potassium permanganate, and the like.
市販の導電性炭素材料としては、例えば、
ケッチェンブラックEC-300J、EC-600JD、ライオナイトEC-200L等のライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製ケッチェンブラック;
トーカブラック#4300、#4400、#4500、及び#5500等の東海カーボン社製ファーネスブラック;
プリンテックスL等のデグサ社製ファーネスブラック;
Raven7000、5750、5250、5000ULTRAIII、5000ULTRA、Conductex SC ULTRA、975 ULTRA、PUER BLACK100、115、及び205等のコロンビヤン社製ファーネスブラック;
#2350、#2400B、#2600B、#3050B、#3030B、#3230B、#3350B、#3400B、#5400B、MA14、MA77、MA7、及びMA100等の三菱化学社製カーボンブラック;
MONARCH1400、1300、900、VulcanXC-72R、及びBlackPearls2000等のキャボット社製ファーネスブラック;
Ensaco250G、Ensaco260G、Ensaco350G、及びSuperP-Li等のTIMCAL社製ファーネスブラック;
デンカブラック、デンカブラックHS-100、FX-35等のデンカ社製アセチレンブラック;
VGCF、VGCF-H、VGCF-X等の昭和電工社製カーボンナノチューブ;
名城ナノカーボン社製カーボンナノチューブ;
xGnP-C-300、xGnP-C-500、xGnP-C-750、xGnP-M-5、xGnP-M-15、xGnP-M-25、xGnP-H-5、xGnP-H-15、及びxGnP-H-25等のXGSciences社製グラフェンナノプレートレット;
Easy-N社製ナノポーラスカーボン;
カイノール炭素繊維、カイノール活性炭繊維などの群栄化学工業社製炭素繊維;
クノーベルMHグレード、クノーベルMJ(4)150グレード、クノーベルMJ(4)030グレード、及びクノーベルMJ(4)010グレード等の東洋炭素社製クノーベル;
FB-100、FB-150、CB-150、CGB-20、CGB-50、LEP、EC300、CMX-60、及びUP-20等の日本黒鉛社製黒鉛等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、2種以上を組み合わせて用いても良い。
Commercially available conductive carbon materials include, for example,
Ketjen Black manufactured by Lion Specialty Chemicals such as Ketjen Black EC-300J, EC-600JD, Lionite EC-200L;
Furnace black manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd. such as Toka Black #4300, #4400, #4500, and #5500;
Furnace black manufactured by Degussa such as Printex L;
Furnace black manufactured by Columbian such as Raven7000, 5750, 5250, 5000ULTRAIII, 5000ULTRA, Conductex SC ULTRA, 975 ULTRA, PUER BLACK100, 115, and 205;
Carbon black manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation such as #2350, #2400B, #2600B, #3050B, #3030B, #3230B, #3350B, #3400B, #5400B, MA14, MA77, MA7, and MA100;
Cabot furnace blacks such as MONARCH1400, 1300, 900, VulcanXC-72R, and BlackPearls2000;
Furnace black manufactured by TIMCAL such as Ensaco250G, Ensaco260G, Ensaco350G, and SuperP-Li;
Acetylene black manufactured by Denka, such as Denka Black, Denka Black HS-100, and FX-35;
Showa Denko carbon nanotubes such as VGCF, VGCF-H, VGCF-X;
Carbon nanotubes manufactured by Meijo Nano Carbon;
xGnP-C-300, xGnP-C-500, xGnP-C-750, xGnP-M-5, xGnP-M-15, xGnP-M-25, xGnP-H-5, xGnP-H-15, and xGnP - Graphene nanoplatelets manufactured by XG Sciences, such as H-25;
Nanoporous carbon manufactured by Easy-N;
Carbon fiber manufactured by Gunei Chemical Industry Co., Ltd., such as Kynor carbon fiber and Kynor activated carbon fiber;
Knobel manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., such as Knobel MH grade, Knobel MJ (4) 150 grade, Knobel MJ (4) 030 grade, and Knobel MJ (4) 010 grade;
Examples include, but are not limited to, graphite manufactured by Nippon Graphite Co., Ltd. such as FB-100, FB-150, CB-150, CGB-20, CGB-50, LEP, EC300, CMX-60, and UP-20. It is not limited to one type, and two or more types may be used in combination.
<樹脂材料>
樹脂材料は、酵素発電デバイス用電極において親水度を制御する目的や、導電材などの分散、粒子間を結着させる目的(バインダー)などに使用される。親水度を制御するためには、水溶性樹脂の使用が好ましい。水溶性樹脂を使用することで、電極が親水的になり適切な親水度への制御が容易となるためである。
<Resin material>
Resin materials are used for purposes such as controlling hydrophilicity in electrodes for enzyme power generation devices, dispersing conductive materials, and binding between particles (binder). In order to control the degree of hydrophilicity, the use of water-soluble resins is preferred. This is because the use of a water-soluble resin makes the electrode hydrophilic, making it easy to control the degree of hydrophilicity to an appropriate level.
<水溶性樹脂>
本発明における水溶性樹脂とは、水に可溶な樹脂であり、酵素発電デバイス用電極において親水度の制御をするためなどに使用される。水溶性樹脂としては、ポリビニル系樹脂やポリウレタン系、ポリエステル系、ポリエーテル系、カルボキシメチルセルロース等のセルロース樹脂、ホルマリン縮合物、シリコン系、及びこれらの複合系ポリマー等が挙げられる。更に、これらの水溶性樹脂は2種類以上を併用してもよい。ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロースなどが好ましい。
<Water-soluble resin>
The water-soluble resin in the present invention is a resin that is soluble in water, and is used for controlling the degree of hydrophilicity in an electrode for an enzyme power generation device. Examples of water-soluble resins include polyvinyl resins, polyurethane resins, polyester resins, polyether resins, cellulose resins such as carboxymethyl cellulose, formalin condensates, silicone resins, and composite polymers thereof. Furthermore, two or more types of these water-soluble resins may be used in combination. Preferred are polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polystyrene sulfonic acid, polyacrylic acid, carboxymethylcellulose, and the like.
<バインダー>
本発明におけるバインダーとは、酵素発電デバイス用電極の導電材などの粒子を結着させるために使用されるものである。
バインダーとしては、従来公知のものを使用することができ、例えば、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂、スチレン-ブタジエンゴムやフッ素ゴム等の合成ゴム、ポリアニリンやポリアセチレン等の導電性樹脂等、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、パーフルオロカーボン及びテトラフルオロエチレン等のフッ素原子を含む高分子化合物が挙げられる。又、これらの樹脂の変性物、混合物、又は共重合体でも良い。これらバインダーは、1種または複数を組み合わせて使用することも出来る。
<Binder>
The binder in the present invention is used to bind particles such as a conductive material of an electrode for an enzyme power generation device.
As the binder, conventionally known binders can be used, such as acrylic resin, polyurethane resin, polyester resin, phenol resin, epoxy resin, phenoxy resin, urea resin, melamine resin, alkyd resin, formaldehyde resin, silicone resin, Examples include fluororesins, synthetic rubbers such as styrene-butadiene rubber and fluororubber, conductive resins such as polyaniline and polyacetylene, and polymeric compounds containing fluorine atoms such as polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, perfluorocarbon and tetrafluoroethylene. It will be done. Also, modified products, mixtures, or copolymers of these resins may be used. These binders can also be used singly or in combination.
また、水及び水と相溶可能な溶剤との混合溶剤を使用する場合、一般的に水性エマルションとも呼ばれるバインダーも使用できる。水性エマルションとは、バインダー樹脂が水中で溶解せずに、微粒子の状態で分散されているものである。 Furthermore, when a mixed solvent of water and a solvent compatible with water is used, a binder, which is generally also called an aqueous emulsion, can also be used. An aqueous emulsion is one in which the binder resin does not dissolve in water but is dispersed in the form of fine particles.
使用するエマルションは特に限定されないが、(メタ)アクリル系エマルション、ニトリル系エマルション、ウレタン系エマルション、ジエン系エマルション(SBR(スチレンブタジエンゴム)など)、フッ素系エマルション(PVDF(ポリフッ化ビニリデン)やPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)など)等が挙げられる。 The emulsions used are not particularly limited, but include (meth)acrylic emulsions, nitrile emulsions, urethane emulsions, diene emulsions (SBR (styrene butadiene rubber), etc.), fluorine emulsions (PVDF (polyvinylidene fluoride), PTFE ( polytetrafluoroethylene), etc.).
<酵素>
本発明における酵素としては、反応により電子を授受できる酵素(酸化還元酵素)であれば特に制限はなく、供給する燃料やコスト、デバイスの種類等に応じて適宜選択される。
酸化還元酵素としては、物質代謝など生体内での多くの酸化還元反応を触媒できる酵素が好ましい。
本発明の酵素発電デバイスに用いる負極においては電子を放出できる酵素であれば良く、糖や有機酸などのオキシダーゼやデヒドロゲナーゼなどが利用できる。中でも、他の酵素に比べ安価で、安定性が高く、人体の血液や尿などの生体試料に含まれるグルコースを燃料にできるグルコースオキシダーゼが好ましい場合がある。その他の酵素としては、汗や血液中の乳酸を使用できる乳酸オキシダーゼや乳酸デヒドゲナーゼ、フルクトースを燃料にできるフルクトースオキシダーゼやフルクトースデヒドゲナーゼ等が挙げられる。
また、本発明の酵素発電デバイスに用いる正極においては、電子を消費できる酵素であれば良く、ビリルビンオキシダーゼ、ラッカーゼ、アスコルビン酸オキシダーゼなどの還元酵素の一種で、分子状酸素の還元を触媒する酸素還元酵素を用いることが出来る。
<Enzyme>
The enzyme in the present invention is not particularly limited as long as it is an enzyme (oxidoreductase) that can give and receive electrons through reaction, and is appropriately selected depending on the fuel to be supplied, cost, type of device, etc.
As the oxidoreductase, enzymes that can catalyze many oxidation-reduction reactions in living bodies, such as substance metabolism, are preferable.
In the negative electrode used in the enzyme power generation device of the present invention, any enzyme capable of emitting electrons may be used, and oxidases and dehydrogenases of sugars, organic acids, etc. can be used. Among these, glucose oxidase is preferable because it is cheaper and more stable than other enzymes, and can use glucose contained in biological samples such as human blood and urine as fuel. Other enzymes include lactate oxidase and lactate dehydegenase, which can use lactic acid in sweat and blood, and fructose oxidase and fructose dehydrogenase, which can use fructose as fuel.
In addition, in the positive electrode used in the enzyme power generation device of the present invention, any enzyme that can consume electrons may be used, such as a type of reductase such as bilirubin oxidase, laccase, or ascorbate oxidase, which catalyzes the reduction of molecular oxygen. Enzymes can be used.
<メディエータ>
酵素の種類によって、電極に直接電子を伝達できる直接電子移動型(DET型)酵素と直接電子を伝達できない酵素が存在する。DET型以外の酵素は、燃料の酸化によって生じた電子を酵素から電極(負極)に伝達するまたは、負極から受け取った電子を電極(正極)から酵素に伝達する役割を担うメディエータと併用することが好ましい。メディエータとしては、電極と電子の授受ができる酸化還元物質であれば特に制限はなく、従来公知のものを使用できる。
メディエータの使用方法としては、電極に担持させる方法や電解液に溶解させて使用する方法等がある。メディエータとしては、テトラチアフルバレン、ハイドロキノンや1,4‐ナフトキノン等のキノン類、フェロセン、フェリシアン化物、オスミウム錯体、及びこれら化合物を修飾したポリマー等が例示できる。分別、廃棄の観点から非金属化合物が好ましい。
<Mediator>
Depending on the type of enzyme, there are direct electron transfer (DET) enzymes that can directly transfer electrons to the electrode and enzymes that cannot directly transfer electrons. Enzymes other than the DET type can be used in combination with a mediator that plays the role of transferring electrons generated by oxidation of fuel from the enzyme to the electrode (negative electrode) or transferring electrons received from the negative electrode from the electrode (positive electrode) to the enzyme. preferable. The mediator is not particularly limited as long as it is a redox substance that can transfer electrons to and from the electrode, and conventionally known mediators can be used.
Methods for using the mediator include a method in which it is supported on an electrode, a method in which it is dissolved in an electrolytic solution, and the like. Examples of the mediator include tetrathiafulvalene, quinones such as hydroquinone and 1,4-naphthoquinone, ferrocene, ferricyanide, osmium complexes, and polymers modified with these compounds. Non-metallic compounds are preferred from the viewpoint of separation and disposal.
<導電性支持体>
導電性支持体は、導電性を有する材料であれば特に限定はない。導電性炭素材料からなる導電層やカーボンペーパーや、カーボンフェルト、カーボンクロス、金属箔、金属メッシュ等が使われる。上記導電層は導電性の炭素材料を含むペーストなどを基材に塗工するなどして作製される。
<Conductive support>
The conductive support is not particularly limited as long as it is a material that has conductivity. A conductive layer made of conductive carbon material, carbon paper, carbon felt, carbon cloth, metal foil, metal mesh, etc. are used. The conductive layer is produced by applying a paste containing a conductive carbon material to a base material.
<酵素発電デバイス用電極組成物>
酵素発電デバイス用電極組成物は、導電材と樹脂材料と、必要に応じて液状媒体を含み、酵素発電デバイス用電極を作製するために用いられる。
<Electrode composition for enzyme power generation device>
The electrode composition for an enzyme power generation device contains a conductive material, a resin material, and a liquid medium as necessary, and is used to produce an electrode for an enzyme power generation device.
また、酵素発電デバイス用電極組成物は、必要に応じて分散剤やバインダーを含有する。導電材及び液状媒体と、バインダー、分散剤などの割合は、特に限定されるものではなく、広い範囲内で適宜選択され得る。 Further, the electrode composition for an enzyme power generation device contains a dispersant and a binder as necessary. The ratio of the conductive material and liquid medium to the binder, dispersant, etc. is not particularly limited and can be appropriately selected within a wide range.
<液状媒体>
本発明に使用する液状媒体としては、特に限定せず使用することができる。中でも水及び水と相溶する水性液状媒体の使用が好ましい。水と相溶する液状媒体としては、アルコール類、グリコール類、セロソルブ類、アミノアルコール類、アミン類、ケトン類、カルボン酸アミド類、リン酸アミド類、スルホキシド類、カルボン酸エステル類、リン酸エステル類、エーテル類、ニトリル類等が挙げられ、水と相溶する範囲で使用しても良い。アルコール類としては、例えば、沸点80~200℃程度の1価のアルコールないし多価アルコールが利用でき、好ましくは炭素数が4以下のアルコール系溶剤が挙げられる。具体的には、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、t-ブタノール等が挙げられる。これらの1価のアルコールの中でも、2-プロパノール、1-ブタノール及びt-ブタノールが好ましい。多価アルコールとしては具体的には、プロピレングリコール、エチレングリコール等が好ましく、中でもプロピレングリコールが特に好ましい。液状媒体は水を用いることが好ましく、水と相溶する液状媒体を一部含んでいてもよい。
<Liquid medium>
The liquid medium used in the present invention is not particularly limited and can be used. Among these, it is preferable to use water and an aqueous liquid medium that is compatible with water. Liquid media that are compatible with water include alcohols, glycols, cellosolves, amino alcohols, amines, ketones, carboxylic acid amides, phosphoric acid amides, sulfoxides, carboxylic acid esters, and phosphoric acid esters. ethers, nitriles, etc., and may be used within a range that is compatible with water. As alcohols, for example, monohydric alcohols or polyhydric alcohols having a boiling point of about 80 to 200° C. can be used, and alcohol solvents having preferably 4 or less carbon atoms can be used. Specific examples include 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and t-butanol. Among these monohydric alcohols, 2-propanol, 1-butanol and t-butanol are preferred. Specifically, the polyhydric alcohol is preferably propylene glycol, ethylene glycol, etc., with propylene glycol being particularly preferred. It is preferable to use water as the liquid medium, and the liquid medium may partially contain a liquid medium that is compatible with water.
<分散剤>
本発明において使用する分散剤は、導電材などの粒子に対して分散剤として有効に機能し、その凝集を緩和することができる。分散剤は、導電材などの粒子に対して凝集を緩和する効果を得ることができれば特に限定されるものではない。
<Dispersant>
The dispersant used in the present invention effectively functions as a dispersant for particles such as a conductive material and can alleviate agglomeration thereof. The dispersant is not particularly limited as long as it can have the effect of alleviating aggregation of particles such as the conductive material.
分散剤としては、従来公知のものを使用することができる。例えば樹脂型分散剤であれば、塩基性官能基を有する樹脂、酸性官能基を有する樹脂、塩基性官能基および酸性官能基を有する樹脂並びにノニオン性樹脂からなる群から選ばれる一種以上の樹脂である分散剤を用いることが出来る。 As the dispersant, conventionally known ones can be used. For example, in the case of a resin-type dispersant, one or more resins selected from the group consisting of resins with basic functional groups, resins with acidic functional groups, resins with basic functional groups and acidic functional groups, and nonionic resins are used. Certain dispersants can be used.
塩基性官能基を有する樹脂としては、環状を含むアミノ基およびアミノ基の一部あるいは全て中和した骨格や4級アンモニウム塩を含有し、ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、メチルエチルアミノエチル(メタ)アクリレート、ジメチルアミノスチレン、ジエチルアミノスチレン等の重合性単量体の単独重合物、または他の重合性単量体との共重合物およびそれらの酸中和物が挙げられる。(メタ)アクリレートとは、メタクリレートまたはアクリレートを意味する。 Examples of resins with basic functional groups include amino groups containing cyclic structures, skeletons in which part or all of the amino groups are neutralized, and quaternary ammonium salts, such as dimethylaminoethyl (meth)acrylate, diethylaminoethyl (meth)acrylate, etc. , methylethylaminoethyl (meth)acrylate, dimethylaminostyrene, diethylaminostyrene, etc., homopolymers of polymerizable monomers, copolymers with other polymerizable monomers, and acid neutralized products thereof. It will be done. (Meth)acrylate means methacrylate or acrylate.
酸性官能基を有する樹脂としては、カルボキシル基、スルホ基、リン酸基およびそれらを一部あるいは全てを中和した骨格を含有し、マレイン酸、フマル酸、アクリル酸、メタクリル酸、けい皮酸等のカルボキシル基を有する重合性単量体や、ビニルスルホン酸、(メタ)アリルスルホン酸、スチレンスルホン酸などのスルホ基を有する重合性単量体、モノ(2-アクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェート、モノ(2-メタクリロイルオキシエチル)アシッドホスフェート等のリン酸基を有する重合性単量体の単独重合物、または他の重合性単量体との共重合物およびそれらのアルカリ中和物が挙げられる。 Examples of resins having acidic functional groups include carboxyl groups, sulfo groups, phosphoric acid groups, and skeletons in which these groups are partially or completely neutralized, such as maleic acid, fumaric acid, acrylic acid, methacrylic acid, cinnamic acid, etc. Polymerizable monomers having a carboxyl group, polymerizable monomers having a sulfo group such as vinyl sulfonic acid, (meth)allylsulfonic acid, styrene sulfonic acid, mono(2-acryloyloxyethyl) acid phosphate, mono Examples include homopolymers of polymerizable monomers having a phosphoric acid group such as (2-methacryloyloxyethyl) acid phosphate, copolymers with other polymerizable monomers, and alkali neutralized products thereof.
塩基性官能基及び酸性官能基を有する樹脂としては、前記塩基性骨格と前記酸性骨格を共に含有するものを意味し、スチレン-マレイン酸-N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレートの共重合物などが挙げられる。 The resin having a basic functional group and an acidic functional group refers to a resin containing both the basic skeleton and the acidic skeleton, and includes a copolymer of styrene-maleic acid-N,N-dimethylaminoethyl (meth)acrylate. Examples include things.
ノニオン性樹脂は、前記塩基性官能基を有する樹脂、酸性官能基を有する樹脂、塩基性官能基及び酸性官能基を有する樹脂以外の樹脂であり、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリ-N-ビニルアセトアミド、ポリアルキレングリコールなどが挙げられる。 The nonionic resin is a resin other than the resin having a basic functional group, the resin having an acidic functional group, the resin having a basic functional group and an acidic functional group, and includes polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, poly-N - Vinyl acetamide, polyalkylene glycol, etc.
分散剤として水溶性樹脂型分散剤を使用した電極組成物から酵素発電デバイス用電極を作製すると、水に不溶な樹脂型分散剤に比べ電極内部がより親水的になり活性点へのプロトン供給が有利となるため、好ましい。 When an electrode for an enzyme power generation device is made from an electrode composition using a water-soluble resin-type dispersant as a dispersant, the inside of the electrode becomes more hydrophilic than a water-insoluble resin-type dispersant, which facilitates the supply of protons to active sites. This is preferred because it is advantageous.
水溶性樹脂型分散剤は、ポリビニル系樹脂やポリウレタン系、ポリエステル系、ポリエーテル系、カルボキシメチルセルロース等のセルロース樹脂、ホルマリン縮合物、シリコン系、及びこれらの複合系ポリマー等が挙げられる。更に、これらの水溶性樹脂型分散剤は2種類以上を併用してもよい。ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリスチレンスルホン酸、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロースなどが好ましい。 Examples of the water-soluble resin type dispersant include polyvinyl resin, polyurethane type, polyester type, polyether type, cellulose resin such as carboxymethyl cellulose, formalin condensate, silicone type, and composite polymers thereof. Furthermore, two or more types of these water-soluble resin type dispersants may be used in combination. Preferred are polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polystyrene sulfonic acid, polyacrylic acid, carboxymethylcellulose, and the like.
市販の水溶性樹脂型分散剤としては、例えば、DISPERBYK-180、184、187、190、191、192、193、194、199、2010、2012、2015、2096等(ビックケミー社製)、SOLSPERSE20000、27000、40000、41090、44000、46000、47000、64000、65000、66000等(日本ルーブリゾール社製)、フローレンG-700AMP、G-700DMEA、WK-13E、GW-1500、GW-1640等(共栄社化学社製)、Borchi(登録商標)Gen1350、0851、1253、SN95、WNS等(松尾産業社製)、TEGODispers650、651、652、655、660C、715W、740W、750W、752W、755W、760W等(巴工業社製)、ポリビニルピロリドンPVP-K30、K85、K90等(ISPジャパン社製)、エスレックBL-1、BL-2、BL-5、BL-10、BL-1H、BL-2H、BL-S、BM-S、BM-1、BM-2、BM-5、BX-1、BX-5等(積水化学工業社製)、カルボキシメチルセルロースCMC1110、1130、1140、1170、1190、1210、1240、1250等(ダイセル化学工業社製)が挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of commercially available water-soluble resin type dispersants include DISPERBYK-180, 184, 187, 190, 191, 192, 193, 194, 199, 2010, 2012, 2015, 2096 (manufactured by BYK Chemie), SOLSPERSE20000, 27000, etc. , 40000, 41090, 44000, 46000, 47000, 64000, 65000, 66000, etc. (manufactured by Japan Lubrizol), Floren G-700AMP, G-700DMEA, WK-13E, GW-1500, GW-1640, etc. (manufactured by Kyoeisha Chemical Co., Ltd.) ), Borchi (registered trademark) Gen1350, 0851, 1253, SN95, WNS, etc. (manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.), TEGO Dispers650, 651, 652, 655, 660C, 715W, 740W, 750W, 752W, 755W, 760W, etc. (manufactured by Tomoe Sangyo Co., Ltd.), etc. ), polyvinylpyrrolidone PVP-K30, K85, K90, etc. (manufactured by ISP Japan), S-LEC BL-1, BL-2, BL-5, BL-10, BL-1H, BL-2H, BL-S, BM-S, BM-1, BM-2, BM-5, BX-1, BX-5, etc. (manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.), carboxymethylcellulose CMC1110, 1130, 1140, 1170, 1190, 1210, 1240, 1250, etc. (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.), but is not limited to these.
なお、水溶性樹脂型分散剤の質量平均分子量は、炭素触媒(A)の分散性が良好な点から、1000以上、500000未満であり、好ましくは5000以上、400000未満であり、より好ましくは、10000以上、200000未満である。 In addition, the mass average molecular weight of the water-soluble resin type dispersant is 1000 or more and less than 500000, preferably 5000 or more and less than 400000, and more preferably, from the viewpoint of good dispersibility of the carbon catalyst (A). It is 10,000 or more and less than 200,000.
<分散機・混合機>
本発明の組成物を得る際に用いられる装置としては、顔料分散等に通常用いられている分散機、混合機が使用できる。
<Dispersing machine/mixing machine>
As the apparatus used to obtain the composition of the present invention, a dispersing machine and a mixer commonly used for pigment dispersion etc. can be used.
例えば、ディスパー、ホモミキサー、若しくはプラネタリーミキサー等のミキサー類;エム・テクニック社製「クレアミックス」、若しくはPRIMIX社「フィルミックス」等のホモジナイザー類;ペイントシェーカー(レッドデビル社製)、ボールミル、サンドミル(シンマルエンタープライゼス社製「ダイノミル」等)、アトライター、パールミル(アイリッヒ社製「DCPミル」等)、若しくはコボールミル等のメディア型分散機;湿式ジェットミル(ジーナス社製「ジーナスPY」、スギノマシン社製「スターバースト」、ナノマイザー社製「ナノマイザー」等)、エム・テクニック社製「クレアSS-5」、若しくは奈良機械社製「MICROS」等のメディアレス分散機;または、その他ロールミル等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、分散機としては、分散機からの金属混入防止処理を施したものを用いることが好ましい。 For example, mixers such as a disper, homomixer, or planetary mixer; homogenizers such as "Clearmix" manufactured by M Techniques or "Filmix" manufactured by PRIMIX; paint shakers (manufactured by Red Devil), ball mills, and sand mills. (such as "Dyno Mill" manufactured by Shinmaru Enterprises Co., Ltd.), attritor, pearl mill ("DCP Mill" manufactured by Eirich Co., Ltd., etc.), or media-type dispersion machines such as Koboru Mill; Wet jet mill ("Zinus PY" manufactured by Genus Corporation, Sugino Medialess dispersion machines such as "Starburst" manufactured by Machine Co., "Nanomizer" manufactured by Nanomizer Co., Ltd.), "Clair SS-5" manufactured by M Technique Co., Ltd., or "MICROS" manufactured by Nara Kikai Co., Ltd.; or other roll mills, etc. These include, but are not limited to. Furthermore, it is preferable to use a dispersing machine that has been treated to prevent metal contamination from the dispersing machine.
例えば、メディア型分散機を使用する場合は、アジテーター及びベッセルがセラミック製又は樹脂製の分散機を使用する方法や、金属製アジテーター及びベッセル表面をタングステンカーバイド溶射や樹脂コーティング等の処理をした分散機を用いることが好ましい。そして、メディアとしては、ガラスビーズ、または、ジルコニアビーズ、若しくはアルミナビーズ等のセラミックビーズを用いることが好ましい。また、ロールミルを使用する場合についても、セラミック製ロールを用いることが好ましい。分散装置は、1種のみを使用しても良いし、複数種の装置を組み合わせて使用しても良い。 For example, when using a media-type dispersion machine, the agitator and vessel are made of ceramic or resin, or the surface of the metal agitator and vessel is treated with tungsten carbide spraying or resin coating. It is preferable to use As the media, it is preferable to use glass beads, zirconia beads, or ceramic beads such as alumina beads. Also, when using a roll mill, it is preferable to use ceramic rolls. Only one type of dispersion device may be used, or a plurality of types of devices may be used in combination.
<酵素発電デバイス用負極>
酵素発電デバイス用負極では、燃料の酸化反応により発生した電子を正極に供給する。
酵素発電デバイス用負極は、酸化酵素を含む本発明の酵素発電デバイス用電極や、酸化酵素を導電性支持体(カーボンペーパーや導電層など)やセパレータ等の基材などに直接塗布した電極などが使用される。
<Negative electrode for enzyme power generation device>
In the negative electrode for the enzyme power generation device, electrons generated by the oxidation reaction of the fuel are supplied to the positive electrode.
The negative electrode for an enzyme power generation device includes an electrode for an enzyme power generation device of the present invention containing an oxidase, or an electrode in which an oxidase is directly coated on a conductive support (such as carbon paper or a conductive layer) or a base material such as a separator. used.
<酵素発電デバイス用正極>
本発明の酵素発電デバイス用正極では、負極で発生した電子を受け取り、電極中の還元反応によりこれを消費する。酵素発電デバイス用正極の構造としては、例えば、酸素を電子受容体として使用する酸素還元反応の場合では、反応場となる活性点まで電子及びプロトンの伝導パスや酸素の供給パスが確保されていることが効率的な発電を行う上では好ましい。
酵素発電デバイス用正極は、還元酵素を含む本発明の酵素発電デバイス用電極や、還元酵素を含まない本発明の酵素発電デバイス用電極、還元酵素を導電性支持体(カーボンペーパーや導電層など)やセパレータ等の基材などに直接塗布した電極、還元酵素を含まない酸素還元触媒からなる本発明の酵素発電デバイス用電極などが使用される。
<Cathode for enzyme power generation device>
The positive electrode for an enzyme power generation device of the present invention receives electrons generated at the negative electrode and consumes them through a reduction reaction in the electrode. For example, in the case of an oxygen reduction reaction that uses oxygen as an electron acceptor, the structure of the positive electrode for an enzyme power generation device ensures a conduction path for electrons and protons as well as a supply path for oxygen to the active site that serves as the reaction site. This is preferable for efficient power generation.
The positive electrode for an enzyme power generation device is an electrode for an enzyme power generation device of the present invention that contains a reductase, an electrode for an enzyme power generation device of the present invention that does not contain a reductase, or an electrode for an enzyme power generation device of the present invention that contains a reductase and a conductive support (such as carbon paper or a conductive layer). An electrode coated directly on a base material such as or a separator, an electrode for an enzyme power generation device of the present invention made of an oxygen reduction catalyst that does not contain a reducing enzyme, and the like are used.
<酸素還元触媒>
酸素還元触媒としては、非白金系炭素触媒、貴金属触媒、卑金属酸化物触媒、活性炭、酸素還元酵素などが挙げられる。
<Oxygen reduction catalyst>
Examples of oxygen reduction catalysts include non-platinum carbon catalysts, noble metal catalysts, base metal oxide catalysts, activated carbon, and oxygen reductases.
非白金系炭素触媒とは、(以下、単に炭素触媒ともいう)とは、炭素元素を基本骨格とした炭素材料からなり、それらの構成単位間に物理的・化学的な相互作用(結合)を有し、異種元素、たとえばN、B、Pなどのヘテロ原子を含み、更に場合によって卑金属元素が含まれ酸素還元活性を有する触媒材料である。ここでいう卑金属元素とは、遷移金属元素のうち貴金属元素(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、オスミウム、イリジウム、白金、金)を除く金属元素であり、卑金属元素としては、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、銅、チタン、バナジウム、クロム、亜鉛、およびスズからなる群より選ばれる一種以上を含有することが好ましい。
ヘテロ元素と卑金属元素を含有することは、酸素還元活性を有する上で重要な意味をなす。非白金系炭素触媒は、その触媒活性点として、例えば、炭素材料の基本骨格を構成する炭素の六角網面のエッジ部に導入された窒素原子やその近傍の炭素原子、また触媒表面上に卑金属元素を中心に4個の窒素が平面上に並んだ卑金属-N4構造における窒素原子や卑金属原子などが挙げられる。
非白金系炭素触媒は、1種または2種以上の、炭素材料と、窒素元素および/または前記卑金属元素を含有する化合物とを混合し、熱処理を行い作製された炭素触媒であって、従来公知のものを使用できる。炭素触媒に用いられる炭素材料は、無機材料由来の炭素粒子および/または有機材料を熱処理して得られる炭素粒子であれば特に限定されない。
Non-platinum-based carbon catalysts (hereinafter also simply referred to as carbon catalysts) are made of carbon materials with a basic skeleton of carbon elements, and have physical and chemical interactions (bonds) between their constituent units. It is a catalytic material that contains different elements such as heteroatoms such as N, B, and P, and optionally also contains a base metal element and has oxygen reduction activity. The base metal elements here refer to transition metal elements other than noble metal elements (ruthenium, rhodium, palladium, silver, osmium, iridium, platinum, and gold), and base metal elements include cobalt, iron, nickel, It is preferable to contain one or more selected from the group consisting of manganese, copper, titanium, vanadium, chromium, zinc, and tin.
Containing a hetero element and a base metal element has an important meaning in terms of having oxygen reduction activity. Non-platinum-based carbon catalysts use, as their catalytic active sites, nitrogen atoms introduced into the edges of the hexagonal mesh plane of carbon that constitutes the basic skeleton of the carbon material, carbon atoms in the vicinity, and base metals on the catalyst surface. Examples include nitrogen atoms and base metal atoms in a base metal-N4 structure in which four nitrogen atoms are arranged in a plane around an element.
A non-platinum-based carbon catalyst is a carbon catalyst prepared by mixing one or more carbon materials with a compound containing a nitrogen element and/or the base metal element, and subjecting the mixture to heat treatment, and is a conventionally known carbon catalyst. You can use the following. The carbon material used in the carbon catalyst is not particularly limited as long as it is carbon particles derived from an inorganic material and/or carbon particles obtained by heat treating an organic material.
貴金属触媒とは、貴金属を一種以上含む触媒である。これら貴金属触媒は単体でも別の元素や化合物に担持されたものでも良い。 A noble metal catalyst is a catalyst containing one or more noble metals. These noble metal catalysts may be used alone or supported on other elements or compounds.
卑金属酸化物触媒は、ジルコニウム、タンタル、チタン、ニオブ、バナジウム、鉄、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、クロム、タングステン、およびモリブデンからなる群より選択された少なくとも1種の卑金属元素を含む酸化物を使用することができ、より好ましくはこれら卑金属元素の炭窒化物や、これら遷移金属元素の炭窒酸化物を使用することができる。 The base metal oxide catalyst is an oxidation catalyst containing at least one base metal element selected from the group consisting of zirconium, tantalum, titanium, niobium, vanadium, iron, manganese, cobalt, nickel, copper, zinc, chromium, tungsten, and molybdenum. More preferably, carbonitrides of these base metal elements and carbonitrides of these transition metal elements can be used.
活性炭とは、やしがらや石油系のピッチなどの難黒鉛化炭素材料を原料として、賦活処理により合成される炭素材料で、一般的に、直径2nm以下の細孔を有し、1000m2/g以上の比表面積を有する。活性炭は賦活処理の種類や条件によって、物性が異なるため、使用される条件や用途によって所望の活性炭を合成するのに適した賦活方法が適宜使用される。 Activated carbon is a carbon material synthesized by activation treatment using non-graphitizable carbon materials such as coconut shells and petroleum-based pitch as raw materials, and generally has pores with a diameter of 2 nm or less and a size of 1000 m 2 / It has a specific surface area of more than g. Since activated carbon has different physical properties depending on the type and conditions of activation treatment, an activation method suitable for synthesizing the desired activated carbon is appropriately used depending on the conditions and purpose of use.
<酵素発電デバイス>
酵素発電デバイスは、負極、正極の少なくとも一方に酵素を含む発電デバイスであり、酵素反応を利用し、糖やアルコール、有機酸等の多様な有機物を燃料として、負極で発生した電子及びイオンと、正極側の酸素還元反応を利用することにより発電可能な発電デバイスである。又、発電の有無や発電量を検知したり、負極または正極の一方の酸化還元反応で発生した電気信号を検知したりして、燃料となる有機物等を対象としたセンサーとして利用することも可能となる。
更に、酵素反応により発電した電力を用いて、同センサーを駆動させることにより、外部から電力供給不要な電源フリーのセンサー(自己発電型センサー)として利用することが出来る。この自己発電型センサーは酵素発電デバイスの一種に含まれ、酵素発電デバイスの電源用途と共に特に生体向けのウェアラブル、インプラントセンサーとしての活用が期待されている。これら生体向けデバイスとして使用する場合は、血液中の血糖、尿中の尿糖、汗中の糖や乳酸、涙や唾液中の糖等を燃料及び/又はセンシング対象物として利用される。また、生体試料中に燃料として利用できる有機物を含まなくても、予め燃料となる有機物を電池に内蔵することで、水分などの液体成分を利用して発電することもでき、上記液体成分をセンシング対象物としたセンサー(例えば水分センサー)として利用することもできる。
<Enzyme power generation device>
Enzyme power generation devices are power generation devices that contain enzymes in at least one of the negative and positive electrodes, and utilize enzyme reactions to generate electrons and ions at the negative electrode using various organic substances such as sugar, alcohol, and organic acids as fuel. This is a power generation device that can generate electricity by utilizing the oxygen reduction reaction on the positive electrode side. It can also be used as a sensor for detecting organic substances that serve as fuel by detecting the presence or absence of power generation and the amount of power generation, or by detecting the electrical signal generated by the redox reaction at either the negative or positive electrode. becomes.
Furthermore, by driving the sensor using the electric power generated by the enzyme reaction, it can be used as a power-free sensor (self-generating sensor) that does not require an external power supply. This self-power generation sensor is included in a type of enzyme power generation device, and is expected to be used as a power source for enzyme power generation devices, as well as wearable and implant sensors for living organisms. When used as these biological devices, blood sugar in blood, urinary sugar in urine, sugar and lactic acid in sweat, sugar in tears and saliva, etc. are used as fuel and/or sensing targets. In addition, even if the biological sample does not contain organic substances that can be used as fuel, it is possible to generate electricity using liquid components such as water by incorporating organic substances that can be used as fuel into the battery in advance, and by sensing the liquid components. It can also be used as an object sensor (for example, a moisture sensor).
<セパレータ>
セパレータとしては、負極と正極を電気的に分離できる(短絡の防止)ものであれば、特に限定されず従来公知の材料を用いる事ができる。具体的には、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ガラス繊維、樹脂不織布、ガラス不織布、フェルト、濾紙、和紙等を用いることができる。
また、液体成分の保持やイオン伝導度を改善させるため、吸水性ポリマーを単独もしくは上記セパレータと複合的に使用しても良い。吸水性ポリマーとしては、ポリアクリル酸塩やカルボキシメチルセルロースなどの多糖類からなる親水性のポリマー材料が挙げられる。
<Separator>
The separator is not particularly limited as long as it can electrically separate the negative electrode and the positive electrode (preventing short circuits), and conventionally known materials can be used. Specifically, polyethylene fibers, polypropylene fibers, glass fibers, resin nonwoven fabrics, glass nonwoven fabrics, felt, filter paper, Japanese paper, etc. can be used.
Further, in order to improve retention of liquid components and ionic conductivity, a water-absorbing polymer may be used alone or in combination with the separator. Examples of water-absorbing polymers include hydrophilic polymer materials made of polysaccharides such as polyacrylates and carboxymethyl cellulose.
<燃料>
本発明の酵素発電デバイスで使用できる燃料としては、酵素で分解できる有機物であれば特に限定はされず、D-グルコース等の単糖類、デンプン等の多糖類、エタノール等のアルコール、有機酸などの有機物であれば幅広く利用できる。特に、高い反応性や生体試料に豊富に含まれるなどの理由から、グルコース、乳酸、およびフルクトースなどが好ましく使用できる。
<Fuel>
The fuel that can be used in the enzyme power generation device of the present invention is not particularly limited as long as it can be decomposed by enzymes, and includes monosaccharides such as D-glucose, polysaccharides such as starch, alcohols such as ethanol, and organic acids. It can be used in a wide variety of ways as long as it is organic. In particular, glucose, lactic acid, fructose, etc. can be preferably used because of their high reactivity and their abundance in biological samples.
<イオン伝導体>
本発明におけるイオン伝導体はアノードとカソードの間でイオンの伝導を行うものである。イオン伝導体の形態はイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではない。イオン伝導体としては、リン酸塩やナトリウム塩など電解質が溶けている電解液や、固体のポリマー電解質などを使用しても良い。
<Ionic conductor>
The ion conductor in the present invention conducts ions between an anode and a cathode. The form of the ion conductor is not particularly limited as long as it has ion conductivity. As the ion conductor, an electrolytic solution in which an electrolyte such as a phosphate or a sodium salt is dissolved, or a solid polymer electrolyte may be used.
<酵素発電デバイスのセンシング>
本発明の酵素発電デバイスを用いることで、燃料となる有機物のセンシングが可能であり、例えば、各種有機物を対象とした有機物センサー、血液や汗、尿、便、涙、唾液、呼気などの生体試料中の有機物や体液を対象とした生体センサー、果物や食品中の糖等を対象にした食品用センサー、IoTセンサー、大気や河川、土壌など環境中の有機物を対象にした環境センサー、動物や昆虫、植物を対象にした動植物センサー等が挙げられる。中でも生体センサーとしては、例えば、グルコースを対象にした、血液中の糖をセンシングする血糖値センサーや、尿中の糖をセンシングする尿糖値センサーや、乳酸を対象にした、汗中の乳酸値をセンシングする疲労度センサーや熱中症センサーなどが挙げられ、食品用のセンサーとしては、例えば、フルクトースを対象にした果物センサーなどに有用に使用できる。
また、酵素発電デバイスのセンシングに使われるデバイスは、本発明の酵素発電デバイス用電極を正極及び/または負極に使用した二極式や、同電極を負極に使用し参照極と対極を組み合わせた一般的なバイオセンサーの構成のような三極式で使用することができる。
<Sensing of enzyme power generation device>
By using the enzyme power generation device of the present invention, it is possible to sense organic substances that can be used as fuel, such as organic substances sensors for various organic substances, biological samples such as blood, sweat, urine, feces, tears, saliva, and exhaled breath. Biological sensors that target organic matter and body fluids, food sensors that target sugars in fruits and foods, IoT sensors, environmental sensors that target organic matter in the environment such as the atmosphere, rivers, and soil, animals and insects. , animal and plant sensors targeting plants, etc. Among these, biological sensors include, for example, blood sugar level sensors that detect glucose in the blood, urine sugar level sensors that detect sugar in urine, and lactic acid level sensors that detect lactic acid levels in sweat. Examples include fatigue level sensors and heat stroke sensors that sense the level of fatigue.As food sensors, for example, they can be usefully used in fruit sensors that target fructose.
In addition, the devices used for sensing the enzyme power generation device include a bipolar type that uses the electrode for the enzyme power generation device of the present invention as a positive electrode and/or a negative electrode, and a general device that uses the electrode for the enzyme power generation device of the present invention as a negative electrode and combines a reference electrode and a counter electrode. It can be used in a three-electrode configuration such as a typical biosensor configuration.
以下に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、以下の実施例は本発明の権利範囲を何ら制限するものではない。尚、実施例および比較例における「部」は「質量部」、「%」は「質量%」を表す。 EXAMPLES The present invention will be explained in more detail with reference to Examples below, but the following Examples do not limit the scope of the present invention in any way. In addition, "part" in Examples and Comparative Examples represents "part by mass", and "%" represents "% by mass".
<酵素発電デバイス電極組成物の製造>
[製造例1]
導電性炭素系材料として、カーボンブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製:ライオナイトEC-200L)6部、溶剤として水89.8部、更に水性樹脂としてポリビニルピロリドン(富士フィルム和光純薬社製:K-30)3部をサンドミルに入れて分散した。その後、バインダーとしてエマルション型アクリル樹脂分散溶液(トーヨーケム社製:W-168)2.4部(固形分50%)を加えミキサーで混合し、酵素発電デバイス用電極組成物(1)を得た。
<Manufacture of enzyme power generation device electrode composition>
[Manufacture example 1]
6 parts of carbon black (Lionite EC-200L, manufactured by Lion Specialty Chemicals) as a conductive carbon material, 89.8 parts of water as a solvent, and polyvinylpyrrolidone (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemicals, Inc.) as a water-based resin. 3 parts of K-30) were placed in a sand mill and dispersed. Thereafter, 2.4 parts (solid content: 50%) of an emulsion-type acrylic resin dispersion solution (manufactured by Toyochem Co., Ltd.: W-168) was added as a binder and mixed with a mixer to obtain an electrode composition (1) for an enzyme power generation device.
[製造例2~5]
表1に示す配合組成で製造例1と同様の方法で調製し、酵素発電デバイス用電極組成物(2)~(5)を得た。
[Production Examples 2 to 5]
Electrode compositions (2) to (5) for enzyme power generation devices were prepared using the formulation shown in Table 1 in the same manner as in Production Example 1.
導電性炭素材料
・EC-200L:カーボンブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製:ライオナイトEC-200L)
・MA14:酸化カーボンブラック(三菱ケミカル社製:MA14)
水性樹脂
・PVP:ポリビニルピロリドン(富士フィルム和光純薬社製:K-30)
バインダー
・W-168:エマルション型アクリル樹脂分散溶液(トーヨーケム社製:W-168)
・PVDF:KFポリマー(クレハ社製:#9100)
溶剤
・NMP:N-メチルピロリドン
Conductive carbon material EC-200L: Carbon black (manufactured by Lion Specialty Chemicals: Lionite EC-200L)
・MA14: Oxidized carbon black (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation: MA14)
Water-based resin/PVP: Polyvinylpyrrolidone (Fuji Film Wako Pure Chemical Industries: K-30)
Binder W-168: Emulsion type acrylic resin dispersion solution (manufactured by Toyochem: W-168)
・PVDF: KF polymer (manufactured by Kureha: #9100)
Solvent/NMP: N-methylpyrrolidone
<酵素発電デバイス用電極の作製>
[実施例1]
(酵素発電デバイス電極(1)の作製)
酵素発電デバイス用電極組成物(1)を、ドクターブレードにより、乾燥後の酵素発電デバイス電極の目付け量が2mg/cm2となるように、導電性支持体として炭素繊維からなる東レ社製カーボンペーパー基材上に塗布し、大気雰囲気中95℃、80分間乾燥し、酵素発電デバイス電極(1)を作製した。
<Preparation of electrode for enzyme power generation device>
[Example 1]
(Preparation of enzyme power generation device electrode (1))
Electrode composition (1) for an enzyme power generation device was dried using a doctor blade so that the basis weight of the enzyme power generation device electrode after drying was 2 mg/cm 2 using Toray carbon paper made of carbon fiber as a conductive support. It was applied onto a substrate and dried at 95° C. for 80 minutes in the air to produce an enzyme power generation device electrode (1).
[実施例2]
(酵素発電デバイス電極(2)の作製)
酵素発電デバイス用電極組成物(1)を酵素発電デバイス用電極組成物(2)に変更した以外は、上記の酵素発電デバイス電極(1)と同様の方法により、酵素発電デバイス電極(2)を作成した。
[Example 2]
(Preparation of enzyme power generation device electrode (2))
The enzyme power generation device electrode (2) was prepared in the same manner as the enzyme power generation device electrode (1) described above, except that the enzyme power generation device electrode composition (1) was changed to the enzyme power generation device electrode composition (2). Created.
[実施例3]
(酵素発電デバイス電極(3)の作製)
酵素発電デバイス用電極組成物(3)を、ドクターブレードにより、乾燥後の酵素発電デバイス電極の目付け量が2mg/cm2となるように、導電性支持体として炭素繊維からなる東レ社製カーボンペーパー基材上に塗布し、大気雰囲気中95℃、80分間乾燥した後、UV-O3装置により20分処理し、酵素発電デバイス電極(3)を作製した。
[Example 3]
(Preparation of enzyme power generation device electrode (3))
The electrode composition (3) for an enzyme power generation device was dried using a doctor blade so that the basis weight of the enzyme power generation device electrode after drying was 2 mg/cm 2 , using Toray carbon paper made of carbon fiber as a conductive support. It was coated on a substrate, dried in the air at 95° C. for 80 minutes, and then treated with a UV-O3 device for 20 minutes to produce an enzyme power generation device electrode (3).
[実施例4]
(酵素発電デバイス電極(4)の作製)
UV-O3装置による処理時間を40分とした以外は、上記の酵素発電デバイス電極(3)の作製と同様の方法により、酵素発電デバイス電極(4)を作製した。
[Example 4]
(Preparation of enzyme power generation device electrode (4))
An enzyme power generation device electrode (4) was produced in the same manner as the enzyme power generation device electrode (3) described above, except that the treatment time using the UV-O3 device was 40 minutes.
[実施例5]
(酵素発電デバイス電極(5)の作製)
UV-O3装置による処理時間を60分とした以外は、上記の酵素発電デバイス電極(3)の作製と同様の方法により、酵素発電デバイス電極(5)を作製した。
[Example 5]
(Preparation of enzyme power generation device electrode (5))
An enzyme power generation device electrode (5) was produced in the same manner as the enzyme power generation device electrode (3) described above, except that the treatment time using the UV-O3 device was 60 minutes.
[実施例6]
(酵素発電デバイス電極(6)の作製)
UV-O3装置による処理時間を120分とした以外は、上記の酵素発電デバイス電極(3)の作製と同様の方法により、酵素発電デバイス電極(6)を作製した。
[Example 6]
(Preparation of enzyme power generation device electrode (6))
An enzyme power generation device electrode (6) was produced in the same manner as the enzyme power generation device electrode (3) described above, except that the treatment time using the UV-O3 device was 120 minutes.
[比較例1]
酵素発電デバイス用電極組成物(3)を、ドクターブレードにより、乾燥後の酵素発電デバイス電極の目付け量が2mg/cm2となるように、導電性支持体として炭素繊維からなる東レ社製カーボンペーパー基材上に塗布し、大気雰囲気中95℃、80分間乾燥し、酵素発電デバイス電極(7)を作製した。
[Comparative example 1]
The electrode composition (3) for an enzyme power generation device was dried using a doctor blade so that the basis weight of the enzyme power generation device electrode after drying was 2 mg/cm 2 , using Toray carbon paper made of carbon fiber as a conductive support. It was applied onto a substrate and dried at 95° C. for 80 minutes in the air to produce an enzyme power generation device electrode (7).
[比較例2]
酵素発電デバイス用電極(7)を、UV-O3装置により180分処理し、酵素発電デバイス電極(8)を作製した。
[Comparative example 2]
The enzyme power generation device electrode (7) was treated with a UV-O3 device for 180 minutes to produce an enzyme power generation device electrode (8).
[比較例3]
酵素発電デバイス用電極組成物(4)を、ドクターブレードにより、乾燥後の酵素発電デバイス電極の目付け量が2mg/cm2となるように、導電性支持体として炭素繊維からなる東レ社製カーボンペーパー基材上に塗布し、大気雰囲気中95℃、80分間乾燥し、酵素発電デバイス電極(9)を作製した。
[Comparative example 3]
The electrode composition (4) for an enzyme power generation device was dried using a doctor blade so that the basis weight of the enzyme power generation device electrode after drying was 2 mg/cm 2 using Toray carbon paper made of carbon fiber as a conductive support. It was applied onto a substrate and dried at 95° C. for 80 minutes in the air to produce an enzyme power generation device electrode (9).
[比較例4]
酵素発電デバイス用電極組成物(5)を、ドクターブレードにより、乾燥後の酵素発電デバイス電極の目付け量が2mg/cm2となるように、導電性支持体として炭素繊維からなる東レ社製カーボンペーパー基材上に塗布し、大気雰囲気中120℃、80分間乾燥した後、UV-O3装置により15分処理し、酵素発電デバイス電極(10)を作製した。
[Comparative example 4]
The electrode composition (5) for an enzyme power generation device was dried using a doctor blade so that the basis weight of the enzyme power generation device electrode after drying was 2 mg/cm 2 , using Toray carbon paper made of carbon fiber as a conductive support. It was applied onto a base material, dried in the air at 120° C. for 80 minutes, and then treated with a UV-O3 device for 15 minutes to produce an enzyme power generation device electrode (10).
<酵素発電デバイス用負極の作製>
酵素発電デバイス電極(1)~(10)にテトラチアフルバレンのメタノール溶液を滴下し自然乾燥させた後に、グルコースオキシダーゼ水溶液を滴下し、自然乾燥させ酵素発電デバイス用負極(1)~(10)を作製した。
<Preparation of negative electrode for enzyme power generation device>
After dropping a methanol solution of tetrathiafulvalene onto the enzyme power generation device electrodes (1) to (10) and letting it air dry, an aqueous glucose oxidase solution was added dropwise to the electrodes (1) to (10) for the enzyme power generation device, and the electrodes were air dried to form the negative electrodes (1) to (10) for the enzyme power generation device. Created.
<酵素発電デバイス性能評価>
以下のようにして、酵素発電デバイス用負極の電流性能を評価した。
上記で作製した酵素発電デバイス用負極(1)~(10)を作用極、白金コイル状電極を対極、銀-銀塩化銀電極(Ag/AgCl)を参照極として、1Mのグルコース溶解した電解液(イオン伝導体)である0.5Mリン酸緩衝液(pH7.0)中に入れた。その後、ポテンショ・ガルバノスタットを用いて、pH7、室温下で-0.2~0.5Vの電位範囲におけるCyclic Voltammetry(CV)測定において、燃料(センシング対象物)となるグルコースの酸化電流曲線から最大電流(mA/cm2)を比較した。
電流性能の指標には、比較例1で作製した酵素発電デバイス用負極(7)の最大電流密度を100とした相対値を使用した。
得られた結果を表2に示す。
<Enzyme power generation device performance evaluation>
The current performance of the negative electrode for an enzyme power generation device was evaluated as follows.
The negative electrodes (1) to (10) for enzyme power generation devices prepared above were used as a working electrode, the platinum coiled electrode was used as a counter electrode, and the silver-silver silver chloride electrode (Ag/AgCl) was used as a reference electrode, using an electrolytic solution containing 1M glucose dissolved therein. (ion conductor) in 0.5M phosphate buffer (pH 7.0). After that, in cyclic voltammetry (CV) measurement in the potential range of -0.2 to 0.5 V at pH 7 and room temperature using a potentio-galvanostat, the maximum The current (mA/cm 2 ) was compared.
As an index of current performance, a relative value with the maximum current density of the negative electrode (7) for an enzyme power generation device produced in Comparative Example 1 as 100 was used.
The results obtained are shown in Table 2.
比較例に比べ実施例では酵素発電デバイス用電極において高い電流性能を示した。これは比較例に比べ、電極の親水度が高く電解液の浸透が改善され、燃料やイオンが電極内部まで供給されたためと考えられる。
一方、電極の親水度1.0を超過すると、電解液に対する電極表面の親和性が高くなり過ぎることで、担持されている酵素や水性樹脂が溶出しやすくなり性能が低下したと考えられる。このように電極の親水度が適切な範囲(0.15~1.0)にあると高い電流性能を発現することが明らかとなった。
Compared to the comparative example, the example exhibited higher current performance in the electrode for an enzyme power generation device. This is considered to be because the hydrophilicity of the electrode was higher than that of the comparative example, and the permeation of the electrolyte was improved, allowing fuel and ions to be supplied to the inside of the electrode.
On the other hand, when the hydrophilicity of the electrode exceeds 1.0, the affinity of the electrode surface for the electrolytic solution becomes too high, and the supported enzyme and aqueous resin are likely to be eluted, resulting in a decrease in performance. As described above, it has become clear that when the hydrophilicity of the electrode is in an appropriate range (0.15 to 1.0), high current performance is exhibited.
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