[發明專利]一種生物化學納米發電機及其制備方法

無效

• 申請號: 201010163517.4
• 申請日: 2010-04-30
• 公開（公告）號: CN101834301A
• 公開（公告）日: 2010-09-15
• 發明（設計）人: 潘曹峰;朱靜
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;B82B1/00;B82B3/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發明涉及一種生物納米器件，特別涉及一種生物化學納米發電機及其制備方法。

背景技術

隨著納米科學與技術的進步，利用納米材料的獨特性能，開發出了大量的各種功能的納米器件，有納米生物傳感器、場效應管、實時體內醫療監控器、癌細胞分子檢測傳感器、光電傳感器等。但是，這些納米器件均需外部能源的供給才能工作，而現有的能源尺寸都較大，這就使得發展納米能源成為當務之急。最終需要實現將納米能源與納米器件集成到同一個芯片上，成為一個集納米功能單元、納米能源單元、納米通訊單元的全功能納米系統(Nano-System)。因此，納米能源的研究就受到了極大的關注。目前國際上納米能源的研究還剛剛起步，現有的納米能源主要有美國喬治亞理工大學王中林教授課題組利用氧化鋅納米線的壓電性能制成的納米壓電發電機，主要將機械振動能轉化為電能，文章詳見“Qin，Y.，Wang，X.D.&?Wang，Z.L.Microfibre-nanowire?hybrid?structure?for?energy?scavenging.Nature?451，809-U5(2008)；Wang，X.D.，Song，J.H.，Liu，J.&Wang，Z.L.Direct-current?nanogenerator?driven?by?ultrasonicwaves.Science?316，102-105(2007)”，但是這種發電機的功率還不夠大，有待進一步提高；哈佛大學Lieber教授課題組利用單根“同軸電纜結構(core-shell)”的硅納米線制成的納米太陽能電池，主要將光能轉化為電能，文章詳見“Tian，B.Z.et?al.Coaxial?siliconnanowires?as?solar?cells?and?nanoelectronic?power?sources.Nature?449，885-U8(2007)”，并成功使用這些納米能源為納米器件供能，但是這種太陽能電池應用的場合較為有限，在一些沒有光的地方就無法使用，如生物體內就沒有辦法工作。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種生物化學納米發電機及其制備方法，生物化學納米發電機基于單根納米線及納米線陣列，具有質子傳輸結構的質子傳導納米線作為一維的質子傳輸通道，質子傳導率比目前商用質子交換膜的質子傳導率高3-4個數量級。

為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種生物化學納米發電機，包括一基底4，基底4上設置有電池陰極區2和電池陽極區3，質子傳導納米線1的兩端分別跨于基底4的電池陰極區2和電池陽極區3上，電池陰極區2和電池陽極區3上均有引出導線5。

所述的質子傳導納米線1直徑在50nm到20um范圍內，長度達到厘米級，該質子傳導體的質子傳導率比目前商用質子交換膜的質子傳導率高3-4個數量級，且隨著納米線直徑的減小而呈指數增加。

所述的基底4表面必須有一層絕緣層。

一種生物化學納米發電機的制備方法，包括以下步驟：

一、選擇表面有絕緣層的基底4，基底4可以是半導體材料，如硅片或Si/SiO₂；可以是高分子塑料材料，如聚碳酸酯PC或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA；也可以是陶瓷材料，如氧化鋁片，并在基底4上設置有電池陰極區2和電池陽極區3；

二、制備質子傳導納米線1，將質子交換膜的溶液與高分子聚乙烯溶液按4∶1配成混合溶液，質子交換膜的溶液為Nafion或Dow溶液，高分子聚乙烯溶液為聚乙烯吡珞烷酮PVP或聚乙烯醇PVA；

三、將步驟二中的混合溶液利用電紡絲或模板輔助壓力注入法得到質子傳導納米線1，將質子傳導納米線1跨接在基底4上的電池陰極區2和電池陽極區3上；

四、在電池陰極區2和電池陽極區3之間蒸鍍一層二氧化硅層，將電池陰極區2和電池陽極區3區分開；

五、將陰極催化劑滴加于電池陰極區2，陽極催化劑滴加于電池陽極區3，滴加的量要使得干燥后的催化劑分子吸附在質子傳導納米線2及電池陰極區2和電池陽極區3表面，其中陰極催化劑是Pt/C、PtRu/C或生物氧化酶，陽極催化劑是Pt/C、葡萄糖氧化酶或膽紅素酶；

六、在電池陽極區3加入燃料，電池陰極區2加入氧化劑，即可得到能夠發電的納米發電機，所述的燃料采用甲醇、氫氣或葡萄糖溶液，氧化劑采用氧氣、空氣或高錳酸鉀。