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研究生: 孔思蒼
Su-Tsang Kung
論文名稱: 生物燃料電池陽極酵素觸媒氫離子擴散分子動力模擬與電傳導率分析
Molecular Dynamics Simulation of Proton Diffusivity and Conductivity Analysis at Enzymatic Biofuel Cell Anode
指導教授: 洪哲文
Che-Wun Hong
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 68
中文關鍵詞: 生物燃料電池分子動力模擬氫離子傳導性
外文關鍵詞: Biofuel Cell, MD Simulation, Proton Conductivity
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  • 本論文探討生物酵素燃料電池中,陽極觸媒與陽極電極間的氫離子擴散現象。酵素燃料電池與傳統燃料電池的差異在於其觸媒部份並非使用像白金等貴金屬元素,而是使用生物分子例如酵素等當成電池的觸媒。不過由於電極與觸媒都是浸泡在如磷酸鹽等的中性電解質溶液中,氫離子與電子很容易在溶液中消散,因此如何能夠有效的收集它們,便成為影響電池效率一個重要的環節。現今生物科技的技術正值蓬勃起飛的時刻,正好提供了酵素燃料電池一個契機,若是能藉由這些技術,將它改良成可以植入人體內作為電源供應器的一個元件,想必對人類定有很大的貢獻。
      研究中指出當陽極電極收集到越多電子,因為電催化效應的關係,也會導致陰極的還原反應變劇烈,在這個時候若是陰極部份可以得到足夠多的氫離子供還原反應使用,電池的整體性能便會上升;相反的,若陰極得不到反應所需的氫離子數量,就算收集到很多電子,對電池的效率也不會有什麼改變。
    為了深入探討氫離子在其間擴散的問題,本文藉由分子動力學模擬的方法,觀察氫離子在初期產生時的變化情形,並研究其他分子對其所造成的影響力,最後再根據所得到的分子資訊計算氫離子的擴散性質,並對其擴散現象作深入的討論。更希望能藉此找出增進氫離子傳遞現象的方法。
    本論文與其它研究的不同處,在於現今的研究大都是以微機電的技術,經由做實驗的方式得到整體的巨觀表現,不過本文的研究方式卻是切入到微觀的角度,直接觀察氫離子在電池陽極觸媒端的運動行為。對於目前生物燃料電池的研究而言,這是屬於比較創新的概念,且研究的方法也為首創。


    The thesis investigates the proton diffusion phenomenon between anode catalyst and anode electrode in enzymatic biofuel cell. The difference of enzymatic biofuel cell and conventional fuel cell is the catalyst. Biofuel uses bio-molecule as catalyst instead of the noble metal like platinum. Proton and electrons are easy to dissipate in solution because the electrode and catalyst are immersing in neutral electrolyte solution. It is an important segment to collect proton and electrons effectively. In order to investigate the diffusion phenomenon of proton between electrode and catalyst, the molecular dynamics simulations was employed to observe the motions of proton at anode and the effects of other molecules was also studied. At last, the diffusivity and conductivity of proton was estimated from the molecular information obtained after simulations.

    摘要…………………………………………………………………I 致謝…………………………………………………………………II 目錄…………………………………………………………………III 表目錄………………………………………………………………VI 圖目錄………………………………………………………………VII 參數定義……………………………………………………………IX 生化名詞解釋………………………………………………………X 第一章 緒論………………………………………………………1 1.1 前言…………………………………………………………..1 1.2 生物燃料電池簡介…………………………………………..2 1.3 文獻回顧……………………………………………………..3 1.4 研究動機與方法……………………………………………..7 第二章 酵素燃料電池與分子動力學理論………………………8 2.1 酵素燃料電池……………………………………………8 2.2 陽極酵素電極層…………………………………………10 2.3 分子動力學模擬…………………………………………12 2.4 分子間勢能函數(Intermolecular Potential Functions)……13 2.5 分子運動的軌跡…………………………………………15 2.6 週期性邊界條件(Periodic Boundary Conditions)…16 2.7 靜電作用力(electrostatic interactions)…………17 2.7.1 庫倫力(Coulomb force)…………………………17 2.7.2 Ewald Summation Method……………………….17 第三章 分子模型建構……………………………………………20 3.1 模擬流程…………………………………………………20 3.2 模型建構…………………………………………………21 3.2.1 初始模型建構…………………………………….21 3.2.2 分子結構最佳化………………………………….22 3.2.3 水分子的加入…………………………………….23 3.3 分子動力學模擬…………………………………………24 3.3.1 CONFIG File………………………………………24 3.3.2 CONTROL File…………………………………….25 3.3.3 FIELD File……………………………………… 25 3.4 分子間勢能方程式………………………………………26 3.4.1 鍵長(Bond)……………………………………… 27 3.4.2 鍵角度(Angle)…………………………………. 27 3.4.3 雙面角(Dihedral angle)……………………….28 3.4.4 倒轉角(Inversion angle)………………………28 3.4.5 凡得瓦力(Van Der Waals Force)………………28 3.5 平均平方位移(Mean Square Displacement)…………29 3.6 徑向分佈函數(Radial Distribution Function)……30 3.7 擴散係數(Diffusion Coefficient)與傳導性 (Conductivity)...30 第四章 結果討論…………………………………………………32 4.1 模擬環境設定……………………………………………32 4.2 平衡狀況…………………………………………………33 4.3 分子運動行為……………………………………………33 4.4 徑向分佈函數……………………………………………34 4.5 平均平方位移……………………………………………35 4.6 擴散性與傳導性……………………………………………..36 4.7 氫離子的性質探討…………………………………………..37 第五章 結論與未來建議…………………………………………41 5.1 結論………………………………………………………41 5.2 未來建議…………………………………………………42 參考文獻……………………………………………………………44 表一 (幾種常用的生物燃料電池)……………………………….46 表二 (電化學燃料電池與生物燃料電池之比較)……………….47 表三 (系統內分子及離子個數的參數設定)…………………….47 表四 (不同葡萄糖濃度下,系統內的各個分子個數表)……….48 表五 (系統內原子的擴散係數表)……………………………….48 表六 (不同葡萄糖濃度下,氫離子的擴散係數與傳導性)…….49 圖2.1 (酵素燃料電池結構圖)…………………………………. 50 圖2.2 (a)PQQ位置未最佳化示意圖(b)重新構成酵素之過程… 50 圖2.3 (陽極酵素電極層)………………………………………. 51 圖2.4 (週期性邊界條件二維示意圖)…………………………. 52 圖2.5 (週期性邊界條件二維之應用)…………………………. 53 圖3.1 (模擬流程圖)……………………………………………. 54 圖3.2 ( 的單位面心立方金結構)…………………………….. 55 圖3.3 (葡萄糖分子結構)………………………………………. 55 圖3.4 (半胱胺酸分子結構)……………………………………. 55 圖3.5 (PQQ分子結構)...………………………………………. 56 圖3.6 (FAD分子結構)………………….………………………. 56 圖3.7 (PQQ-FAD分子結構)………...…………………………. 56 圖3.8 (將初始位置讀入DL_POLY之後的分子模型圖)………….57 圖3.9 (系統加入水後的分子模型圖(系統內分子之初始位置圖))…..57 圖3.10 (鍵結力與非鍵結力之示意圖)………………………….58 圖3.11 (Inversion angle之示意圖)……………………………58 圖3.12 (Lennard-Jones 12-6 potential示意圖)...…………59 圖3.13 (徑向分佈函數示意圖)………………….………………59 圖4.1 (系統能量隨時間變化圖)…………………………………60 圖4.2 (系統溫度隨時間變化圖)…………………………………60 圖4.3 (模擬時間為4.5ps時,系統內的分子位置)…………….61 圖4.4 (模擬時間為14ps時,系統內的分子位置)……..………61 圖4.5 (模擬時間為30ps時,系統內的分子位置)………..……62 圖4.6 (模擬時間為100ps時,系統內的分子位置)…………….62 圖4.7 (模擬時間為200ps時,系統內的分子位置)…………….63 圖4.8 (模擬時間為300ps時,系統內的分子位置)…………….63 圖4.9 (徑向分佈函數圖(Au-Au))……………………………….64 圖4.10 (徑向分佈函數圖(water-water))…...……………….64 圖4.11 (徑向分佈函數圖(proton-proton))…….…………….65 圖4.12 (徑向分佈函數圖(proton-water))…………………….65 圖4.13 (金原子與硫原子的MSD圖)………………………………66 圖4.14 (生物高分子內原子的MSD圖)……………………………66 圖4.15 (氫離子(proton)與水分子(water)的MSD圖)………….67 圖4.16 不同葡萄糖濃度下氫離子與水分子的MSD圖……………67 圖4.17 不同葡萄糖濃度下徑向函數分佈圖(Au-proton)………68 圖4.18 系統內氫離子軌跡圖(其中兩顆)……………………….68

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