[發明專利]一種太陽能生物制氫的納米器件

有效

• 申請號: 201310424407.2
• 申請日: 2013-09-17
• 公開（公告）號: CN103484364A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 王心心;李舟
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C12M1/40
• 分類號: C12M1/40;C12P3/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 李婉婉;張苗

技術領域

本發明涉及一種制備氫氣的納米器件，具體涉及一種利用太陽能，通過生物方法制備氫氣的納米器件。

背景技術

由于世界原油供應不足及環境污染等問題的日益嚴峻，氫氣以它的可再生、無污染、且燃燒時釋放能量高等特點，作為一種綠色能源受到廣泛關注。

目前，工業上制備氫氣的方法按照使用原材料的不同大致可分為以下兩種：1）礦物燃料制氫；2）電解水制氫。其中礦物燃料制氫是以煤、石油及天然氣為原料制取氫氣，是當今制取氫氣的主要方法。該方法在我國具有成熟的工藝，且工業生產裝置相對完善。但以不可再生的能源為原材料制備氫氣，使得該方法在未來的發展受到限制。另一種電解水制氫也是目前應用較廣且比較成熟的技術之一。該方法以水為原料，制氫的過程是氫與氧燃燒生成水的逆反應。電解水制得氫氣的效率一般在75-85％，其工藝過程簡單，無污染，但消耗電量大。因此，急需一種新的可高效、無污染且節約能源的方法來制備氫氣。

發明內容

本發明提供一種利用太陽能，通過生物方法有效制備氫氣的新型納米器件。旨在解決現階段制氫方法在環境污染、能源消耗、產氫效率等方面的問題。

為了解決上述問題，本發明提供一種太陽能生物制氫納米器件，包括：金屬基板、光致電子供體、取向α-螺旋多肽單分子膜和氫化酶；

優選地，所述光致電子供體與所述取向α-螺旋多肽單分子膜通過自組裝法固定在所述金屬基板的表面，所述氫化酶固定在所述單分子膜的表面；

優選地，所述氫化酶通過與所述多肽分子N-末端氨基發生縮合反應固定在所述單分子膜的表面；

優選地，所述金屬基板為納米發電機的一個電極；

優選地，所述納米發電機為壓電納米發電機、摩擦電納米發電機或壓電和摩擦電混合納米發電機；

優選的,所述壓電納米發電機包括：高分子聚合物襯底、第一電極、壓電材料層和第二電極；

優選地，所述高分子聚合物襯底為聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亞胺膜；

優選地，所述壓電材料層為壓電材料納米線陣列或取向壓電材料薄膜；

優選地，所述壓電納米發電機、摩擦電納米發電機及摩擦電與壓電混合納米發電機中的兩個電極材料均可以相同或不同，并且均選自金、銀、銅和鎳；

優選地，所述兩個電極材料相同，并且均為金；

優選地，所述光致電子供體為含有二茂鐵結構的一系列硫醇，結構通式為：n=2-10；

優選地，所述多肽的分子序列為能夠形成α-螺旋結構的一系列氨基酸序列，所述氨基酸數為8-24；

優選地，所述氨基酸C-末端接枝有分子末端含有氨基的硫醇、硫醚或二硫醚等有機硫化物；

優選地，所述硫醇的通式為n=2-10，所述硫醚的通式為n=2-10，所述二硫醚的通式為n=2-10；

優選地，所述氫化酶為唯鐵氫化酶。

本發明還提供一種取向α-螺旋多肽單分子膜的制備方法，其特征在于包含以下步驟：將納米發電機的一個金屬電極浸沒在含有α-螺旋多肽分子的成膜溶液中，并在對所述納米發電機施加外界應力使所述電極帶正電的情況下，通過自組裝反應在所述金屬電極表面形成所述單分子膜；

優選地，所述納米發電機為壓電納米發電機、摩擦電納米發電機或壓電和摩擦電混合納米發電機；

優選地，所述成膜溶液中所述α-螺旋多肽分子的濃度為0.1mM-10mM；

優選地，所述成膜溶液中使用的溶劑選自水或有機溶劑，所述有機溶劑選自N,N-二甲基甲酰胺、三氟代乙醇、甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、二甲基亞砜等；

優選地，所述自組裝反應時間為6-24小時。

本發明還提供一種前述太陽能生物制氫納米器件的制備方法，其特征在于包含以下步驟：

（1）使用前述取向α-螺旋多肽單分子膜的制備方法，在所述納米發電機的一個金屬電極上制備所述取向α-螺旋多肽單分子膜，并且所述成膜液中同時含有所述光致電子供體；

（2）將所述納米發電機中組裝有所述單分子膜的電極浸沒于含有所述氫化酶分子的水溶液中進行反應，從而將所述氫化酶分子固定在所述單分子膜的表面；

優選地，所述成膜溶液中所述光致電子供體與所述多肽分子的摩爾濃度比為0.1-10；

優選地，所述氫化酶在水溶液中的濃度優選0.05-1unit/mL；

優選地，所述氫化酶水溶液中還含有縮合反應催化劑，所述催化劑為1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺鹽酸鹽及1-羥基苯并三唑；