[发明专利]一种介体型生物燃料电池阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物燃料电池阳极，特别是涉及一种介体型生物燃料电池阳极。

背景技术

生物燃料电池是一种新型的能源转化装置，它以自然界中的微生物或酶为催化剂，直接将化学能转化为电能。生物燃料电池除了具有燃料利用率高、无污染等优点外，还有一些独特的优点：1)燃料来源广泛，自然界大量存在的葡萄糖、淀粉等可再生有机物都可以作为燃料；2)反应条件温和，可以在常温、常压、中性pH值条件下反应，易于操作、控制和维护；3)生物兼容性好，可以为植入人体的人造器官或生物传感器提供能源。然而，要作为在体电源应用于实际生活还比较遥远，其主要原因在于电池的稳定性远远不能满足实际要求。导致电池不稳定的原因有很多种，其中，对于酶型生物燃料电池，大多数酶的活性中心深埋在酶的内部，很难实现与电极之间进行直接的电子转移，国内外研究工作者广泛采用介体实现酶与电极之间的间接电子转移(Chemical Reviews.2004，104，4867-4886)，然而，上述介体的固定方式往往存在所固定的介体不易定量、容易脱落等问题，限制了电池的功率和稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种介体型生物燃料电池阳极(介体型酶电极)，其介体通过静电作用固定在电极上，可以提高生物燃料电池阳极的稳定性。

本发明的技术方案如下：

本发明所提供的介体型生物燃料电池阳极，包括基底电极、包覆于所述基底电极上的碳纳米材料层、包覆于所述碳纳米材料层上的介体层以及包覆于所述介体层上的酶层；其中，所述碳纳米材料层由阳离子功能化的碳纳米材料组成，所述酶层包括下述a)或b)或c)的物质：a)氧化酶；b)氧化酶、惰性蛋白和交联剂交联形成的固定化酶；c)氧化酶、生物高聚物和交联剂交联形成的固定化酶。

在所述碳纳米材料层中，每平方厘米基底电极上碳纳米材料的含量为20-170μg。所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球中的一种或其任意组合；所述阳离子为聚吡咯阳离子、聚苯胺阳离子、咪唑阳离子和吲哚阳离子中的一种或其任意组合。

在所述介体层中，所述介体为[Mo(CN)₈]^3-/4-、[W(CN)₆]^3-/4-、[Fe(CN)₆]^3-/4-和[Os(CN)₆]^3-/4-中的一种或其任意组合。每平方厘米基底电极上介体的含量为10-30μg。

在所述酶层中，每平方厘米基底电极上氧化酶的含量为1.4～217.2U。所述惰性蛋白可为牛血清蛋白、人血清蛋白和白明胶中的一种或其任意组合；所述生物高聚物可为纤维素、淀粉、壳聚糖和琼脂糖中的一种或其任意组合；惰性蛋白或者生物高聚物水溶液的质量分数在0.5％～10％。根据氧化底物的不同，可以选择相应的针对该底物的氧化酶：例如，对于乙醇，选用乙醇氧化酶；对于葡萄糖，选用葡萄糖氧化酶。

本发明对纳米材料的尺寸无特别要求，一般来说，所述碳纳米管、碳纳米纤维的直径为1～500nm，优选为1～10nm，平均长度为0.5～50μm，优选为5～15μm；所述碳纳米球的直径为10～500nm。

制备上述介体型生物燃料电池阳极的方法，包括以下步骤：

1)将所述的碳纳米材料进行超声处理，然后将超声处理后的碳纳米材料涂覆于基底电极上，室温干燥；

2)将经过1)处理的电极浸泡于所述介体溶液中，10～30分钟后取出，室温干燥，形成介体层；

3)将含有氧化酶的溶液涂覆于介体层上，室温干燥，在介体层上形成酶层，即得到所述的基于氧化酶的介体型生物燃料电池阳极。

其中，为了使酶层能够更好的固定在电极上，氧化酶溶液中还可含有交联剂。所述交联剂可以为常见的功能试剂，如戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯等，优选为戊二醛。介体型生物燃料电池阳极具体制备过程中，每平方厘米基底电极上各种物质用量如下：碳纳米材料层中含有2mg/mL的阳离子功能化的碳纳米材料10～85μL；酶溶液中含有100～1900U/mL的氧化酶溶液14～114.2μL、质量分数为0.5～10％的惰性蛋白溶液或者生物高聚物溶液14～86μL、质量分数为0.5～6％的交联剂溶液7～57μL。