[發明專利]一種生物燃料電池陽極及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201210560664.4
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN103066302A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 樸金花;張秀花;呂穩;姜建國
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 蘇運貞;裘暉

技術領域

本發明屬于生物燃料電池技術領域，特別涉及一種生物燃料電池陽極及其制備方法與應用。

背景技術

生物燃料電池是利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學能轉化為電能的裝置，按照催化劑類型不同，可分為酶生物燃料電池和微生物燃料電池。大多數生物燃料電池只在陽極使用生物催化劑，陰極部分與一般的燃料電池沒有什么區別，這是由于生物燃料電池同樣以空氣中的氧氣作為氧化劑。因此在生物燃料電池領域的研究工作也多是針對電池陽極區的。生物燃料電池除在理論上具有很高的的能量轉化率、無污染等優點外，還具有以下優點：1）原料廣泛，可以利用一般燃料電池不能利用的多種有機物、無機物作為燃料，甚至可以利用光合作用或直接利用污水等；2）操作條件溫和，一般是在常溫、常壓、接近中性的環境中工作，使電池維護成本低、安全性強；3）生物相容性好，利用人體的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體，作為心臟起搏器等人造器官或生物傳感器的電源。然而將生物燃料電池作為電源應用于實際生產與生活還是比較遙遠的。其主要原因是輸出功率密度遠遠不能滿足實際要求。制約生物燃料電池輸出功率密度的最大因素是電子傳遞過程。按照Marcus和Sutin提出的理論，電子轉移率由電勢差、重組能和電子供體與受體之間的距離決定。理論和實驗均表明，隨傳遞距離的增加，電子轉移速率呈指數下降的趨勢。對于酶生物燃料電池，大多數酶的活性中心深埋在酶的內部，僅僅是酶分子蛋白質外殼的厚度就足以對電子活性中心到電極的直接傳遞過程產生屏蔽作用，很難實現與電極之間的電子轉移。國內外研究工作者已對酶的負載體及電子傳遞介體進行了不懈的研究，但載體和介體的不易定量、容易脫落等問題，限制了電池的功率性、穩定性和重現性。

發明內容

本發明的首要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種生物燃料電池陽極。

本發明的另一目的在于提供所述的生物燃料電池陽極的制備方法。

本發明的再一目的在于提供所述的生物燃料電池陽極的應用。

本發明的目的通過下述技術方案實現：一種生物燃料電池陽極，是以基底電極為中心，由內到外依次為納米材料層、介體層和酶層；

所述的納米材料層中的材料為分子篩；優選為氨基功能化的分子篩；

所述的分子篩優選為比表面積為大于1000m²/g、孔徑為3～7nm、孔容為0.90～1.10mL/g的ZSM-5沸石分子篩；

所述的介體層材料為硫堇（Th）；

所述的酶層中的酶優選為氧化酶；

在每平方厘米所述的基底電極上，所述的納米材料層中分子篩的含量為37.5～50μg；所述的酶層中的酶的含量為80～112U；

所述的生物燃料電池陽極的制備方法，包含以下步驟：

（1）將分子篩進行氨基功能化，功能化后的分子篩分散于水中，超聲；然后和Nafion溶液混合得到分散均勻的分散液，將得到的分散液涂覆于基底電極上，干燥，形成包裹在基底電極的納米材料層；

（2）將步驟（1）得到的含有納米材料層的電極置于硫堇溶液中浸泡，取出，干燥，形成介體層；

（3）將交聯劑、惰性蛋白、酶和水混合，得到酶層溶液；將酶層溶液覆于介體層上，2～8℃過夜干燥，在介體層上形成酶層，此時得到生物燃料電池陽極；

步驟（1）中所述的將分子篩進行氨基功能功化的具體步驟參見文獻“Surface-modified?Y?zeolite-filled?chitosan?membrane?for?direct?methanol?fuel?cell,J.Power?Sources，2007，173：842–852.”，具體如下：將分子篩、3-氨丙基-3-乙氧基硅烷（3-Aminopropyl-triethoxysilane,APTES）和甲苯按照體積比1:2:20的比例混合，在110℃下，攪拌回流24h，過濾，用乙醇和蒸餾水清洗，洗去多余的硅烷殘渣，然后100℃真空干燥，得到氨基功能功化的分子篩；

步驟（1）中所述的分子篩優選為ZSM-5沸石分子篩；

步驟（1）中所述的分子篩與所述的Nafion溶液優選按（0.25～0.5）mg：500μl配比；

步驟（1）中所述的納米材料層的含量按如下基準計算：每平方厘米基底電極上分子篩的含量為37.5～50μg；

步驟（1）中所述的超聲的條件優選為與50W、50Hz超聲3min；

步驟（2）中所述的浸泡的時間優選為3h；

步驟（2）中所述的硫堇溶液的濃度優選為5mmol/L；