随着全球经济的飞速发展,传统化石燃料消耗所引发的能源短缺与环境污染等问题不断加剧。面对这一严峻挑战,加大可再生能源的开发力度对保障能源安全,维持经济可持续发展具有十分重要的意义。酶生物燃料电池是一类将生物质化学能转化为电能的绿色能源转化装置,其环境友好、无污染的特性,有望成为开发可再生能源的新进途径之一。本文以能源转化为出发点,通过构筑酶生物燃料电池及酶生物光电化学体系,在生物质化学能与太阳能的转化利用方面开展了一系列研究工作,主要研究内容包括以下三个方面:1.从纳米材料的设计合成角度,制备出石墨烯/金纳米粒子/氮掺杂碳纳米管(RGO/Au NPs/N-CNTs)三维纳米复合材料,并将其作为自支撑电极应用在酶生物燃料电池。我们采用电化学沉积与化学气相沉积技术创新性地将石墨烯片、金纳米粒子与氮掺杂碳纳米管无缝衔接在泡沫镍表面,一方面为生物酶的负载修饰提供了更大的比表面积和稳定的仿生环境,另一方面也为电催化提供了更多的反应活性位点。基于RGO/Au NPs/N-CNTs组装的葡萄糖氧化酶电极展现出优异的生物电催化性能并获得7.02 mA cm-2(0.3 V)的催化电流密度。2.从仿生学角度开展纳米酶的研究,并拓展其在酶生物燃料电池中的应用。受细胞色素氧化酶(CcO)天然结构的启发,我们制备出类CcO活性的FeN5单原子纳米酶(FeNs SAs),其与天然酶相当的生物催化活性(KM,4.2×10-5 M)以及中性条件下优于商业化Pt/C的电催化氧还原性能(E1/2,0.67 V),表明了单原子纳米材料与类酶活性中心位点研究的交叉融合能够为指导下一代纳米酶的发展提供合理的切入点。以葡萄糖脱氢酶做生物阳极,所组装的葡萄糖/O2酶生物燃料电池展现出良好的能量转化性能及放电稳定性。3.从多能源利用角度,构筑酶生物光电化学体系。我们将光电化学体系中n-型半导体(BiVO4、TiO2等)光电催化水氧化的研究与生物电化学体系中多铜氧化酶(Lac、BOD等)生物电催化氧还原的研究结合起来,建立起基于水/氧循环的无燃料生物光电化学池(阳极:Ni:FeOOH/BiVO4;阴极:Lac),实现了太阳能与生物质化学能向高质量清洁电能的同时转化。此外,针对昼夜更迭这一自然现象引起的光源间歇问题,我们通过向水/氧循环体系(阳极:TiO2;阴极:BOD)中引入储能模块-聚吡咯(PPy)电容电极,实现了对太阳能的连续存储与转化,为光照间歇所引起的能源转化不连续问题提供了一个可行性的解决方案。