[發明專利]一種高效酶型生物燃料電池陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 200910086725.6
• 申請日: 2009-06-24
• 公開（公告）號: CN101931083A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發明（設計）人: 毛蘭群;蘇磊;林雨青
• 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

本發明涉及一種高效酶型生物燃料電池陰極及其制備方法。

背景技術

酶型生物燃料電池是一種利用酶作為催化劑將生物物質(如葡萄糖和氧氣等)的化學能轉化成電能的新型能源技術，在可植入式微型能源領域(如生物傳感器、人造器官、起搏器電源等)有著極為廣泛的應用前景(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)。由于使用酶作為生物電化學催化劑，酶的電化學性質對于酶型生物燃料電池的性能而言具有關鍵性作用。例如，當使用電子媒介體(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)來“協助”酶與電極之間進行電子交換時，酶電極的輸出電位就只取決于所使用的電子媒介體；然而，當酶能夠與電極進行直接電子交換時，酶電極的輸出電位理論上可以接近酶的電化學活性中心的式電位，產生較高的輸出電位。因為漆酶在催化氧氣還原時，具有催化氧還原電位較高、酶活性較高、催化效率較高等優點，成為當前酶型生物燃料電池陰極最常用的生物催化劑之一。盡管人們普遍利用漆酶的直接電化學性質來構筑酶型生物燃料電池氧氣還原的陰極，然而，所制備的氧氣還原的陰極的電流效率較低，成為了限制生物燃料電池輸出功率大小的“瓶頸”，無法滿足當前生物燃料電池發展的需求。

發明內容

本發明的目的是提供一種高效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、以及涂敷于所述碳納米材料層上的酶層；所述酶層包括下述a)或b)的物質：a)漆酶或膽紅素氧化酶，b)經交聯劑交聯的漆酶或經交聯劑交聯的膽紅素氧化酶。

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20-200μg；所述碳納米材料可為碳納米管、碳納米纖維和碳納米球中的一種。

在所述酶層中，所述漆酶或膽紅素氧化酶相對每平方厘米基底電極的含量為3-20U。所述漆酶來自真菌。

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，其使用量為質量分數1-10％的戊二醛溶液0.5-4μl。

本發明對碳納米材料的尺寸無特別要求，一般來說，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。

本發明所提供的制備上述高效酶型生物燃料電池陰極的方法，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)、b)或c)物質的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，即得到所述的生物燃料電池陰極；所述a)為漆酶或膽紅素氧化酶，所述b)為漆酶和交聯劑，所述c)為膽紅素氧化酶和交聯劑。

所述步驟1)的有機溶劑具體可為二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇、N-甲基-2-吡咯烷酮或乙腈，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。