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与传统的燃料电池和电化学传感器相比，生物燃料电池及传感器因其可以直接将可再生能源（即葡萄糖、乳糖、甲醇、乙醇和乳酸）中的化学能转化为电能而具有重要的实践意义。然而在电化学传感器以及生物燃料电池的探索中，存在着两种主要问题：一方面是微生物细菌或者酶生物蛋白与电极之间存在着某种作用机制阻碍了电子传递作用，另一方面是气体分子在水溶液中的低溶解度限制了生物燃料电池的功率密度输出。因此，探索出能够有效促进气体参与的催化反应以及微生物细菌或者酶生物蛋白与电极之间的电子传递机制的电极材料对于电化学生物传感器和生物燃料电池（BFCs）的发展具有重要作用。本论文致力于发展新型的具有气-固-液三相界面的气体扩散电极材料，以达到改进固定化酶和微生物活性、促进难溶性气体到电极表面的扩散、提升电池的功率输出等目的。其具体研究内容如下：
（1）制备出基于气体扩散生物阳极/阴极的无隔膜微型葡萄糖-O2生物燃料电池。该气体扩散电极是通过固定葡萄糖氧化酶（GOx）或漆酶（Lac）修饰的多孔碳纸（CP）而制备的，电极表面的酶一面紧贴 β-D-葡萄糖水溶液，另一面暴露于空气中，空气中存在的氧气可以直接从疏水性碳纸的孔隙由气相扩散至酶的活性部位并参与到酶的催化反应，并且通过优化生物酶对气体分子较强的粘附力，得出疏水性界面对于酶反应更加有利。在传统的饱和空气电解质溶液中，该电池的最大功率输出密度仅为9.64μW cm-2（0.43 V），而固定在饱和氧气的最大功率输出密度显著增加至53.0μW cm-2（0.45 V），并且所得的单液生物燃料电池可在人血清中获得49.0μW cm-2的最大功率密度。此种由气体扩散电极构筑的生物燃料电池显示出诸如高输出功率密度，低成本和“芯片”集成小型化等优点，这对于植入式自供电传感器具有巨大的潜力。
（2）甲烷氧化细菌（methylosinus）在气体扩散电极表面的原位组装与电化学催化行为研究。利用外生电细菌的代谢从有机基质中收集电能，并获得有价值的产物而受到了广泛关注。本工作设计了具有新型气-固-液三相界面的气体扩散电极的氧化铝模板（PAA）纳米通道反应器。在甲烷单加氧酶（MMO）和抑制剂NaCl的作用下，甲烷氧化细菌可以把一定比例的甲烷和氧气氧化成甲醇,但由 于混合气中气体分子在水溶液中的低溶解度问题限制了气体的水溶性反应。使用具有纳米通道膜的阳极氧化铝有助于甲烷氧化细菌的固定化原位生长，其在一侧与磷酸盐缓冲液接触，而另一侧与气相直接接触。通过在反应体系中充入一定比例的甲烷和氧气后，观察到 CH4/O2可以通过提出的纳米通道从气体中直接参与到甲烷氧化细菌内部反应，从而检测甲醇的积累。
（1）制备出基于气体扩散生物阳极/阴极的无隔膜微型葡萄糖-O2生物燃料电池。该气体扩散电极是通过固定葡萄糖氧化酶（GOx）或漆酶（Lac）修饰的多孔碳纸（CP）而制备的，电极表面的酶一面紧贴 β-D-葡萄糖水溶液，另一面暴露于空气中，空气中存在的氧气可以直接从疏水性碳纸的孔隙由气相扩散至酶的活性部位并参与到酶的催化反应，并且通过优化生物酶对气体分子较强的粘附力，得出疏水性界面对于酶反应更加有利。在传统的饱和空气电解质溶液中，该电池的最大功率输出密度仅为9.64μW cm-2（0.43 V），而固定在饱和氧气的最大功率输出密度显著增加至53.0μW cm-2（0.45 V），并且所得的单液生物燃料电池可在人血清中获得49.0μW cm-2的最大功率密度。此种由气体扩散电极构筑的生物燃料电池显示出诸如高输出功率密度，低成本和“芯片”集成小型化等优点，这对于植入式自供电传感器具有巨大的潜力。
（2）甲烷氧化细菌（methylosinus）在气体扩散电极表面的原位组装与电化学催化行为研究。利用外生电细菌的代谢从有机基质中收集电能，并获得有价值的产物而受到了广泛关注。本工作设计了具有新型气-固-液三相界面的气体扩散电极的氧化铝模板（PAA）纳米通道反应器。在甲烷单加氧酶（MMO）和抑制剂NaCl的作用下，甲烷氧化细菌可以把一定比例的甲烷和氧气氧化成甲醇,但由 于混合气中气体分子在水溶液中的低溶解度问题限制了气体的水溶性反应。使用具有纳米通道膜的阳极氧化铝有助于甲烷氧化细菌的固定化原位生长，其在一侧与磷酸盐缓冲液接触，而另一侧与气相直接接触。通过在反应体系中充入一定比例的甲烷和氧气后，观察到 CH4/O2可以通过提出的纳米通道从气体中直接参与到甲烷氧化细菌内部反应，从而检测甲醇的积累。