[发明专利]一种高效酶型生物燃料电池阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效酶型生物燃料电池阴极及其制备方法。

背景技术

酶型生物燃料电池是一种利用酶作为催化剂将生物物质(如葡萄糖和氧气等)的化学能转化成电能的新型能源技术，在可植入式微型能源领域(如生物传感器、人造器官、起搏器电源等)有着极为广泛的应用前景(Yan et al.，Carbon-Nanotube-Based Glucose/O₂Biofuel Cells.Adv.Mater.2006，18，2639-2643；Gao et al.，An enzymatic glucose/O₂biofuel cell：Preparation，characterization andperformance in serum，Electrochem.Commun.2007，9，989-996)。由于使用酶作为生物电化学催化剂，酶的电化学性质对于酶型生物燃料电池的性能而言具有关键性作用。例如，当使用电子媒介体(Fei et al.，A Biopolymer Composite that Catalyzes theReduction of Oxygen to Water.Chem.Mater.，2007，19，1565-1570；Mano et al.，ALaccase-Wiring Redox Hydrogel for Efficient Catalysis of O₂ Electroreduction.J.Phys.Chem.B 2006，110，11180-11187)来“协助”酶与电极之间进行电子交换时，酶电极的输出电位就只取决于所使用的电子媒介体；然而，当酶能够与电极进行直接电子交换时，酶电极的输出电位理论上可以接近酶的电化学活性中心的式电位，产生较高的输出电位。因为漆酶在催化氧气还原时，具有催化氧还原电位较高、酶活性较高、催化效率较高等优点，成为当前酶型生物燃料电池阴极最常用的生物催化剂之一。尽管人们普遍利用漆酶的直接电化学性质来构筑酶型生物燃料电池氧气还原的阴极，然而，所制备的氧气还原的阴极的电流效率较低，成为了限制生物燃料电池输出功率大小的“瓶颈”，无法满足当前生物燃料电池发展的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效酶型生物燃料电池阴极及其制备方法。

本发明所提供的生物燃料电池阴极，包括基底电极、涂敷于所述基底电极上的碳纳米材料层、以及涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层；所述酶层包括下述a)或b)的物质：a)漆酶或胆红素氧化酶，b)经交联剂交联的漆酶或经交联剂交联的胆红素氧化酶。

在所述碳纳米材料层中，基底电极上碳纳米材料的含量为每平方厘米20-200μg；所述碳纳米材料可为碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球中的一种。

在所述酶层中，所述漆酶或胆红素氧化酶相对每平方厘米基底电极的含量为3-20U。所述漆酶来自真菌。

为了增加酶层的稳定性还可选用交联剂进行酶之间的固定，所述的交联剂具体可为戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐或双偶氮苯，优选为戊二醛。以戊二醛为例，相对于每平方厘米基底电极，其使用量为质量分数1-10％的戊二醛溶液0.5-4μl。

本发明对碳纳米材料的尺寸无特别要求，一般来说，所述碳纳米纤维和碳纳米管的直径为1～100nm，优选为1～50nm，平均长度为0.5～50μm，优选为0.5～20μm；所述碳纳米球的直径为50～500nm。

本发明所提供的制备上述高效酶型生物燃料电池阴极的方法，包括以下步骤：

1)将碳纳米材料分散于有机溶剂中进行超声处理，得到碳纳米材料悬浊液，将所述悬浊液涂敷于基底电极上，干燥，形成碳纳米材料层；

2)将含有下述a)、b)或c)物质的溶液涂敷于碳纳米材料层上，干燥后在碳纳米材料层上形成酶层，即得到所述的生物燃料电池阴极；所述a)为漆酶或胆红素氧化酶，所述b)为漆酶和交联剂，所述c)为胆红素氧化酶和交联剂。

所述步骤1)的有机溶剂具体可为二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇、N-甲基-2-吡咯烷酮或乙腈，优选为二甲基甲酰胺。所述悬浊液中碳纳米材料的浓度为每毫升1-5mg。所述超声处理进行的时间可为0.1-2小时。

本发明中，当所用的碳纳米材料为碳纳米纤维和碳纳米管时，在使用之前需对碳纳米纤维和碳纳米管进行纯化以除去制备时的金属催化剂。当所用碳纳米材料为碳纳米球时，可不经特殊处理直接使用。