[发明专利]一种基于单酶无机复合纳米花的酚类污水发电装置及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于单酶无机复合纳米花的酚类污水发电装置及其制备方法和应用，该装置包括阴极电极、阳极电极和阴阳两极室，其中，所述阴极电极和阳极电极均为金纳米颗粒/壳聚糖‑还原氧化石墨烯负载的漆酶无机复合纳米花(AuNPs/Chit‑RGO/Lac nanoflower)修饰的石墨毡电极。底物分别为氧气和酚类污染物，由漆酶催化反应中心不同价态的铜离子分别催化两极室的底物。本发明的电极材料具有良好的固载能力。利用漆酶反应中心的不同价态设计正负极相同的燃料电池，解决现有燃料电池酶固载效果不佳、输出电流低、工艺设计复杂的问题。

技术领域

本发明属于酶燃料电池技术领域，具体涉及一种基于单酶无机复合纳米花的酚类污水发电装置及其制备方法和应用。

背景技术

目前应用较广的酚类污水处理方法主要分为三种。一是电化学氧化催化法，即化学法处理。二是物理法处理，包括活性炭吸附法、沸石吸附法和萃取法等。采用物理处理法对处理条件要求极高，而且设备昂贵。近年来，对活性炭的研究围绕在减少制作成本，改良活性炭吸附性能和产率的问题上。提高活性炭吸附性能和降低活性炭生产成本之间仍然存在着矛盾。三是生物法处理，包括活性污泥法、固定化微生物技术和微生物燃料电池法。传统的活性污泥法和生物膜法具有工艺成熟的优点，但都对高浓度含酚废水处理效果不佳。新型的固定化法及微生物燃料电池技术大多针对单一的酚类物质且应用规模较小，许多技术的研究还处于试验阶段。

酶生物燃料电池相比于传统的燃料电池，其反应条件温和、产物无害，且酶催化剂的来源广泛，作为一种新型可再生能源中的一种，酶生物燃料电池具有特殊优势，在替代能源、污水处理等方面有着巨大的应用前景。

对大多数酶来说，催化反应的活性中心被多肽链包围，使电极导体与酶催化反应中心之间的电子转移受到阻碍，造成酶燃料电池的输出电流较低。且酶在实际工作中易被洗脱，失活，造成电池使用寿命短、污水处理效果不佳等问题。因此需要选择合适的生物相容性材料和适宜的酶固载方法，以有效保持酶的生物活性，较好地实现酶与电极间的直接电子传输。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于单酶无机复合纳米花的酚类污水发电装置及其制备方法和应用，该装置利用三维结构的纳米花状材料的比表面积大、反应活性高、团聚现象少等优点制备在常温条件下性能更加稳定的酶存在方式；通过制备具有水溶性好并具有生物相容性的金纳米颗粒/壳聚糖-还原氧化石墨烯(AuNPs/Chit-RGO)纳米复合材料作为酶固定材料。由于壳聚糖对石墨烯的表面改性，该复合材料在水溶液中呈正电荷的表面电荷性质，这使得带负电荷的金纳米颗粒可通过静电吸附作用固载于复合物表面。且通过镶嵌金纳米颗粒(AuNPs)，使得该材料与生物分子上的氨基基团更易结合。由此，AuNPs/Chit-RGO纳米复合材料为漆酶纳米花提供了附着固定的“肥沃土壤”。同时，用相同的电极来构筑正负极，为未来设计更为简洁、高效、环保的新型生物燃料电池提供了新的思路。是一种性能更加稳定的且输出功率较大的新型生物燃料电池。

本发明的技术方案如下：

一种基于单酶无机复合纳米花的酚类污水发电装置，包括阴极电极、阳极电极和阴阳两极室，其中，阴阳两极室包括阴极室及其室内的阴极电解液、阳极室及其室内的阳极电解液和两室之间的质子交换膜，所述阴极电极和阳极电极分别悬挂置于阴极室和阳极室内，并浸没于各室内的电解液中；所述阴极电极和阳极电极均为金纳米颗粒/壳聚糖-还原氧化石墨烯负载的漆酶无机复合纳米花(AuNPs/Chit-RGO/Lac nanoflower)修饰的石墨毡电极。

优选地，所述阴极电解液为50mM，pH＝5的柠檬酸/Na₂HPO₄缓冲溶液与0.5mM 2,2'-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)的混合溶液；所述阳极电解液为50mM，pH＝5的柠檬酸/Na₂HPO₄缓冲溶液与典型难降解的0.8mM双酚A的混合溶液。

一种基于单酶无机复合纳米花的酚类污水发电装置的制备方法，包括以下步骤：