[發明專利]一種介體型生物燃料電池陽極及其制備方法

有效

• 申請號: 200910085234.X
• 申請日: 2009-06-04
• 公開（公告）號: CN101908630A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 毛蘭群;王尚華;林雨青;張軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;任鳳華

技術領域

本發明涉及一種生物燃料電池陽極，特別是涉及一種介體型生物燃料電池陽極。

背景技術

生物燃料電池是一種新型的能源轉化裝置，它以自然界中的微生物或酶為催化劑，直接將化學能轉化為電能。生物燃料電池除了具有燃料利用率高、無污染等優點外，還有一些獨特的優點：1)燃料來源廣泛，自然界大量存在的葡萄糖、淀粉等可再生有機物都可以作為燃料；2)反應條件溫和，可以在常溫、常壓、中性pH值條件下反應，易于操作、控制和維護；3)生物兼容性好，可以為植入人體的人造器官或生物傳感器提供能源。然而，要作為在體電源應用于實際生活還比較遙遠，其主要原因在于電池的穩定性遠遠不能滿足實際要求。導致電池不穩定的原因有很多種，其中，對于酶型生物燃料電池，大多數酶的活性中心深埋在酶的內部，很難實現與電極之間進行直接的電子轉移，國內外研究工作者廣泛采用介體實現酶與電極之間的間接電子轉移(Chemical?Reviews.2004，104，4867-4886)，然而，上述介體的固定方式往往存在所固定的介體不易定量、容易脫落等問題，限制了電池的功率和穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種介體型生物燃料電池陽極(介體型酶電極)，其介體通過靜電作用固定在電極上，可以提高生物燃料電池陽極的穩定性。

本發明的技術方案如下：

本發明所提供的介體型生物燃料電池陽極，包括基底電極、包覆于所述基底電極上的碳納米材料層、包覆于所述碳納米材料層上的介體層以及包覆于所述介體層上的酶層；其中，所述碳納米材料層由陽離子功能化的碳納米材料組成，所述酶層包括下述a)或b)或c)的物質：a)氧化酶；b)氧化酶、惰性蛋白和交聯劑交聯形成的固定化酶；c)氧化酶、生物高聚物和交聯劑交聯形成的固定化酶。

在所述碳納米材料層中，每平方厘米基底電極上碳納米材料的含量為20-170μg。所述碳納米材料為碳納米管、碳納米纖維和碳納米球中的一種或其任意組合；所述陽離子為聚吡咯陽離子、聚苯胺陽離子、咪唑陽離子和吲哚陽離子中的一種或其任意組合。

在所述介體層中，所述介體為[Mo(CN)₈]^3-/4-、[W(CN)₆]^3-/4-、[Fe(CN)₆]^3-/4-和[Os(CN)₆]^3-/4-中的一種或其任意組合。每平方厘米基底電極上介體的含量為10-30μg。

在所述酶層中，每平方厘米基底電極上氧化酶的含量為1.4～217.2U。所述惰性蛋白可為牛血清蛋白、人血清蛋白和白明膠中的一種或其任意組合；所述生物高聚物可為纖維素、淀粉、殼聚糖和瓊脂糖中的一種或其任意組合；惰性蛋白或者生物高聚物水溶液的質量分數在0.5％～10％。根據氧化底物的不同，可以選擇相應的針對該底物的氧化酶：例如，對于乙醇，選用乙醇氧化酶；對于葡萄糖，選用葡萄糖氧化酶。

本發明對納米材料的尺寸無特別要求，一般來說，所述碳納米管、碳納米纖維的直徑為1～500nm，優選為1～10nm，平均長度為0.5～50μm，優選為5～15μm；所述碳納米球的直徑為10～500nm。

制備上述介體型生物燃料電池陽極的方法，包括以下步驟：

1)將所述的碳納米材料進行超聲處理，然后將超聲處理后的碳納米材料涂覆于基底電極上，室溫干燥；

2)將經過1)處理的電極浸泡于所述介體溶液中，10～30分鐘后取出，室溫干燥，形成介體層；

3)將含有氧化酶的溶液涂覆于介體層上，室溫干燥，在介體層上形成酶層，即得到所述的基于氧化酶的介體型生物燃料電池陽極。

其中，為了使酶層能夠更好的固定在電極上，氧化酶溶液中還可含有交聯劑。所述交聯劑可以為常見的功能試劑，如戊二醛、己二胺、順丁烯二酸酐、雙偶氮苯等，優選為戊二醛。介體型生物燃料電池陽極具體制備過程中，每平方厘米基底電極上各種物質用量如下：碳納米材料層中含有2mg/mL的陽離子功能化的碳納米材料10～85μL；酶溶液中含有100～1900U/mL的氧化酶溶液14～114.2μL、質量分數為0.5～10％的惰性蛋白溶液或者生物高聚物溶液14～86μL、質量分數為0.5～6％的交聯劑溶液7～57μL。