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酶生物燃料电池(Enzymatic biofuel cells,EBFCs)是通过生物酶作为催化剂催化生物燃料的氧化还原反应,将化学能转化为电能的新型绿色能源。由于葡萄糖、乳酸等生物燃料普遍存在于自然界以及人类的体液中,EBFCs不仅可以在一定程度上能够缓解日益严重的能源危机,而且在可穿戴式和植入式电子设备等领域有着广泛的应用。随着纳米材料的不断发展,EBFCs的性能有了很大的提升,但是仍难以满足实际应用的需求。针对EBFCs存在能量输出低等问题,本文探究了改善EBFCs性能的方法。一方面,从EBFCs的反应原理出发,通过合成新型纳米材料、设计多孔透气性的电池结构,改善EBFCs装置内氧气(Oxygen,O2)扩散以及促进电子传递。另一方面探寻了无膜EBFCs装置电极阵列以及电池结构的优化。主要研究内容如下:(1)根据EBFCs反应原理,利用丝网印刷技术制备了 EBFCs装置。通过丝网印刷碳糊电极统一电极基底的制备,并对电极单元和装置结构进行规范化设计,从而实现了装置良好的一致性。设计了无膜EBFCs装置结构,实验验证了O2对EBFCs输出性能的影响。在自然空气状态下研究EBFCs电池组串并联对整体输出影响,并通过串并联连接外接电源管理系统实现了发光二极管(Lightemitting diode,LED)的点亮。设计的EBFCs装置制备简单,可以根据负载要求通过串并联连接得到需要的输出性能,推动了 EBFCs堆栈结构的设计及装置小型化发展。(2)酶活性中心和电极表面之间的电子传递缓慢和O2供应不足导致总体反应效率低下是制约EBFCs发展的两大主要障碍,为提高EBFCs输出性能、改善EBFCs装置内的空气分布和促进酶活性中心与电极表面之间的电子转移,设计了 一种基于碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)/金纳米颗粒(Gold nanoparticles,AuNPs)复合物的透气无膜EBFCs装置。其中,碳纸(Carbon Paper)由于具有良好的透气性和导电性,被选为无膜EBFCs的透气基底。在EBFCs阳极上,通过氯金酸(Chloroauric acid,HAuCl4)在CNTs管壁上还原生成AuNPs而制备得到CNTs/AuNPs复合物。CNTs/AuNPs复合物由于AuNPs的均匀分布和三维多孔结构,不仅能够促进电子转移速率,而且有助于电极内部的O2扩散和存储。此外,该复合物可以为酶提供合适的微环境以及对酶有强吸附性从而增加固定化酶的数量和活性。在阴极上,铂黑(Platinum,Pt)作为催化剂不仅可以催化O2还原,而且能够催化阳极反应产物过氧化氢(Hydrogenperoxide,H2O2)的分解,H2O2分解生成的O2又可以作为阴阳极反应产物再次利用。由于良好的O2传递和快速的电子转移,在自然空气状态下,组装的EBFCs装置可以输出的最大功率密度(Maximum power density,MPD)为 244.66μW cm-2,开路电压(Open circuit potential,OCP)为0.49 V,并且表现出良好的稳定性。(3)为进一步提升EBFCs装置输出性能,推动其实用化发展,本文通过构建EBFCs模型,利用有限元分析的方法探究了电极形状以及电极阵列方式对EBFCs输出性能的影响。首先,对三种EBFCs电极形状(圆形、六边形和方形)进行建模仿真,研究电极形状与场强、电压分布之间的关系。结果表明,由于较低的边缘效应,相比于其它两种形状的电极,圆形电极可以更好地提高EBFCs性能。其次,根据无膜EBFCs装置的特点,设计了双极板无膜EBFCs和单极板无膜EBFCs两种结构形式,通过模拟比较发现,圆形电极具有最大电流密度和最大MPD;而六边最密排列的方式可以在基底上获得最大的电极面积,从而得到最大输出总功率。对于单极板无膜EBFCs,阴阳极在同一个极板上交错分布可以避免双极板在穿戴式、植入式设备等应用中造成的不便。阴阳极叉指分布可以增加输出总电流,而阴阳极先串联后并联连接能够同时提升输出电流和输出电压。最后,将在网络分布中应用的拓扑理论引入到EBFCs阵列分布中,根据总线型、星型和环型三种拓扑结构设计了相应的EBFCs阵列方式并进行了对比分析。本文研究的EBFCs电极形状及阵列方式对EBFCs装置的结构设计具有很好的指导意义。