随着化石燃料资源的减少，更好的生物燃料电池设计是能源领域的有力竞争者。在发表于美国化学学会杂志上的研究中，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员和外部合作者合成了一种新的以DNA为模板的金纳米簇（AuNC），可以解决高效生物燃料电池设计中关键的方法性障碍。

 “酶燃料电池和纳米材料表现出极大的前景，因为他们可以在环境无害的中性pH条件下工作，是现有的碱性或酸性燃料电池更环保的替代方案，他们符合全球研究工作的主题，”该项目的科学家Saumen Chakraborty说。 “我们的工作旨在提高电子传递效率，从而制备出酶燃料电池阴极的潜在候选者”。

配体，结合于中心金属原子的分子，是形成稳定纳米团簇所必要的。在这项研究中，研究人员选择单链的DNA作为配位体，因为DNA是一种具有金属阳离子高亲和性的天然纳米级材料，并且可用于装配群集到其它纳米级材料上，如碳纳米管。

在酶燃料电池中，燃料在阳极被氧化，而氧气的还原反应发生在阴极，常采用多铜氧化酶。酶燃料电池的性能关键取决于酶的活性位点能否有效地接受并通过直接的电子转移（ET）将电子传输到电极。然而，通常酶的活性位点之间缺乏有效的ET，它们被埋在表面〜10埃一下，并且所述电极是其发展的一个主要障碍。因此，这样电子转移的有效媒介是必须的。

该小组开发了一种新的以DNA为模板的金纳米簇（AuNC），可增强电子的转移。这种新颖的AuNC作为酶 - 电极界面的电子转移增强剂可以有效地用于酶燃料电池的阴极，从而消除高效生物燃料电池设计中关键的方法学屏障。

由于它们离散的电子状态分布，金属纳米簇表现出许多独特的性能（<1.5nm的直径;〜2-144个金、银、铂，铜原子），在许多领域都有应用。

由于超小体积（簇是〜7个原子，〜在直径0.9纳米）和独特的电化学特性， AuNC可以促进电子转移到氧还原反应的酶活性位点，因此，降低氧气反应的超电势。超电势是驱动电化学反应所需的额外能量。

理想的情况下，所有的电化学反应具有最小或没有过电位，但在现实中它们都有一些。因此，我们要设计一个高效的电极催化剂（用于还原或氧化），使反应可以施加最小的额外能量继续进行。

当AuNC自组装有胆红素氧化酶和碳纳米管，所述AuNC将增强电子转移，并且与单纯的酶相比，它将氧还原的超电势显著的降低了〜15毫伏（而使用其它类型的介质只观察到〜1-2毫伏）。该AuNC也引起电催化电流密度的显著提高。蛋白质是电子绝缘的（它们复杂、油腻、大），所以碳纳米管的使用有助于酶粘到电极上并促进电子转移。

虽然金纳米簇已经在化学催化被使用，，我们证明这是它们第一次作为酶促氧还原反应的电子转播媒介。

最后，AuNC的存在不会扰乱酶促O2还原的机理。 AuNC作为ET促进者，提高氧气还原的热力学和动力的这种独特应用是前所未有的。

新材料在线编译整理——翻译：王晶晶     校正：摩天轮