[發明專利]一種高抗干擾性酶型生物燃料電池陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 200910086724.1
• 申請日: 2009-06-24
• 公開（公告）號: CN101931082A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發明（設計）人: 毛蘭群;蘇磊;林雨青;周豪杰
• 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;H01M8/16;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

本發明涉及一種高抗干擾性酶型生物燃料電池陰極及其制備方法。

背景技術

酶型生物燃料電池，作為當前國際上的研究熱點之一(Yan?et?al.，Carbon-Nanotube-Based?Glucose/O₂Biofuel?Cells.Adv.Mater.2006，18，2639-2643)，其在活體可植入式設備電源、微型傳感裝置電源等領域有著廣泛的潛在應用前景。但是，由于使用酶作為催化劑，當前酶型生物燃料電池很難用于實際的溶液體系(如生理體液環境)。漆酶和膽紅素氧化酶(Mano?et?al.Characteristics?of?a?MiniatureCompartment-less?Glucose-O₂Biofuel?Cell?and?Its?Operation?in?a?Living?Plant.J.Am.Chem.Soc.2003，125，6588-6594)是目前兩種備受關注的酶型生物燃料電池氧氣陰極生物催化劑(Soukharev?et?al.A?Four-Electron?O₂-Electroreduction?BiocatalystSuperior?to?Platinum?and?a?Biofuel?Cell?Operating?at?0.88V.J.Am.Chem.Soc.2004，126，8368-8369)。其中，漆酶具有式電位高、催化效率高的特點，但是，其只能在弱酸性環境中保持生物催化活性，并且，其生物活性易受氯離子等的影響；膽紅素氧化酶雖然能夠在中性溶液中保持生物催化活性，然而，其還原氧氣時式電位較低，并且，其生物活性容易受到尿酸等物質的影響。同時，這些基于氧氣還原的生物陰極的性能往往受到溶液中易氧化物質(如抗壞血酸等)的影響。首先，這些易氧化物質能夠通過酶催化反應，降低氧氣生物電化學催化還原的效率；其次，易氧化物質通過直接電化學氧化反應，降低氧氣陰極的輸出電壓。迄今為止，尚沒有合適的技術手段能夠克服上述各種物質對于生物燃料電池陰極性能的影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種高抗干擾性酶型生物燃料電池陰極及其制備方法。

本發明所提供的生物燃料電池陰極，包括基底電極、涂敷于所述基底電極上的碳納米材料層、涂敷于所述碳納米材料層上的酶層以及覆蓋于所述酶層上的疏水離子液體層；其中，所述酶層包括下述a)或b)的物質：a)漆酶，b)經交聯劑交聯的漆酶。

在所述碳納米材料層中，基底電極上碳納米材料的含量為每平方厘米20-100μg；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；所述碳納米纖維和碳納米管的直徑為1～100nm，優選為1～50nm，平均長度為0.5～50μm，優選為0.5～20μm；所述碳納米球的直徑為50～500nm。

在所述酶層中，所述漆酶相對每平方厘米基底電極的含量為2-150U。

為了增加酶層的穩定性還可選用交聯劑進行酶之間的固定，所述的交聯劑具體可為戊二醛、己二胺、順丁烯二酸酐或雙偶氮苯，優選為戊二醛。以戊二醛為例，相對于每平方厘米基底電極上使用質量分數為1-5％的戊二醛溶液0.5-4μl。

在所述疏水離子液體層中，所述疏水離子層的厚度為0.3-2cm；所述疏水離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸、2-乙基咪唑六氟磷酸、2-丙基咪唑六氟磷酸、2-乙基-4-甲基咪唑六氟磷酸和2-苯基咪唑六氟磷酸中的一種，優選為1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸。

本發明所提供的制備上述高抗干擾性酶型生物燃料電池電極的方法，包括以下步驟：

1)將碳納米材料分散于有機溶劑中進行超聲處理，得到碳納米材料懸濁液，將所述懸濁液涂敷于基底電極上，干燥，形成碳納米材料層；

2)將含有下述a)或b)的物質溶液涂敷于碳納米材料層上，干燥后在碳納米材料層上形成酶層；所述a)為漆酶，所述b)為漆酶和交聯劑；

3)將疏水離子液體覆蓋于酶層上，得到所述酶電極。

其中，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。

所述步驟1)的有機溶劑具體可為二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷酮，優選為二甲基甲酰胺。所述懸濁液中碳納米材料的濃度為每毫升1-5mg。所述超聲處理進行的時間可為0.1-2小時。

本發明中，當所用的碳納米材料為碳納米纖維和碳納米管時，在使用之前需對碳納米纖維和碳納米管進行純化以除去制備時的金屬催化劑。當所用碳納米材料為碳納米球時，可不經特殊處理直接使用。