[发明专利]一种酶生物燃料电池阳极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于微生物燃料电池生物技术领域，特别涉及一种酶生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。

背景技术

利用微生物代谢过程与电极反应相结合的生物燃料电池的研发为可再生能源生产和废弃物处理提供了一条新途径。生物燃料电池是利用微生物作为反应主体，将燃料（有机物质）的化学能直接转化为电能的一种装置，它是一种以各种生物作为催化剂的装置，它的类型是由生物催化剂的种类决定的。以微生物为催化剂的生物燃料电池能利用活细胞来催化燃料的氧化，但是以酶为催化剂的酶生物燃料电池是利用酶来达到这个目的。目前以微生物为催化剂的生物燃料电池的优势是电池寿命较长（可以达到5年），并且能够完全把单糖氧化成二氧化碳，但是由于通过细胞膜的传质转运速率慢，输出功率非常低，所以其应用在一定程度上受到很大的限制；相反，酶法生物燃料电池却不存在传质速率慢的问题，拥有较高的功率密度。所以，酶生物燃料电池是目前研究的热点。

酶生物燃料电池以其来源广泛、生物相容性好、在常温常压中性的溶液中工作、可用多种天然物做原料等特点而成为一种可再生的绿色能源，在医学环保和航空航天领域都有着非常广阔的前景。然而尽管有着如此诱人和具有市场潜力的应用前景，但它的研究还有很多有待解决的关键问题，诸如电流密度低、功率密度低、稳定性差和寿命短等等。总的来说，酶生物燃料电池性能存在的主要问题是输出功率低和电池寿命短等，导致这两方面问题的原因主要来自两个方面，一个是作为催化剂的酶的外层包裹着一层蛋白质层，不导电的蛋白质外层影响了燃料在酶的活性位置反应后产生的电子的向外传导速率，从而影响了电池的功率密度，另一个原因就是酶的固定方式影响了电池的性能和电池的寿命，酶的吸附量小，吸附不稳定，电子转移率低都是影响酶生物燃料电池性能的主要原因。很多研究团队在改善这两方面的性能上做了大量的工作，采用的方法包括在催化剂中加入导电性的材料、在聚合物的修饰材料中载入具有导电性的基团或小分子化合物，或者用共价键或非共价键把电极和酶的活性中心连通，这些方法都明显的提高酶生物燃料电池的输出功率和电流。

碳纳米管因其独特的结构、优异的电学和机械性能，成为世界范围内的研究热点之一。将碳纳米管运用于酶生物燃料电池电极中，可以很好的改善电极的性能，碳纳米管的管状结构可以增大其对酶的吸附量，增加酶的吸附稳定性，碳纳米管的良好的导电性可以提高电子的传导速率，从而达到提高酶生物燃料电池功率密度的目的。到目前为止，碳纳米管已经被很多研究人员应用于生物燃料电池和生物传感器电极的制备上，Pratixa P.Joshi等（Anal.Chem.2005,77,3183-3188）等人制备的聚合物-碳纳米管-酶复合电极生物传感器，应用碳纳米管使电极反应的氧化还原电流增加2～10倍。

虽然碳纳米管会提高酶电极的性能，但是碳纳米管的应用存在一个问题，就是碳纳米管憎水性的表面使它在水中分散性很差，很容易发生团聚，同时碳纳米管较少的化学结合位点也影响了它的性能。因此，对碳纳米管的改性是必要的。目前对碳纳米管的改性方法包括引入新的化学基团，如-NH₂，-COOH，-OH等；与其他材料复合，如壳聚糖、金纳米、石墨烯、金属氧化物、Nafion、DNA等，从而增大其分散性及化学活性，改善其性能，相关的研究文献包括：Jin Young Lee等（Journal of Power Sources,2010,195:750-755）用DNA包裹碳纳米管修饰葡萄糖氧化酶生物阳极和漆酶生物阴极，制备的酶生物燃料电池的功率密度得到了极大的提高。

明胶是一种由多种氨基酸组成的分子量分布很宽的多肽分子混合物，分子结构上有大量的羟基，另外还有许多羧基和氨基，这使得明胶具有极强的亲水性。明胶（Gelatin）对酶或细胞有着优越的亲和性和生物相容性，同时有成膜性、表面活性、良性聚电解质性、无毒、易得等特性。因此是对碳纳米管改性的良好材料，可以通过增加其表面活性集团，改善水溶性。明胶结构上富含氨基，也使它容易与酶发生交联反应，从而达到固定酶催化剂的作用。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种酶生物燃料电池阳极的制备方法。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法得到的酶生物燃料电池阳极。

本发明的再一目的在于提供所述的酶生物燃料电池阳极的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种酶生物燃料电池阳极的制备方法，以碳纸为电极基板，以明胶作为碳纳米管的改性材料，以明胶改性的碳纳米管和牛血清蛋白（BSA）为酶载体，以酶为催化剂，以戊二醛为交联剂，组合成酶生物燃料电池阳极；