[發明專利]一種柔性三維納米生物電極及其制備方法

無效

• 申請號: 201410367900.X
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104134805A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 陽曉宇;沈凌;盧毅;姜楠;蘇寶連
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;B82Y5/00;B82Y40/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 鄔麗明

技術領域

本發明涉及納米材料與生物技術交叉領域，尤其涉及一種柔性三維納米生物電極及其制備方法。

背景技術

生物燃料電池是一種綠色可持續的能源轉換裝置，具有轉換效率高、燃料來源廣泛、清潔無污染等優點，在電池、醫學等領域受到廣泛應用。其中，以天然糖類為燃料驅動的酶生物燃料電池又可以稱為“糖”電池，在生物器件、醫療設備等方面具有更大的實際意義。然而，目前的“糖”電池壽命短、輸出功率低、穩定性差，限制了“糖”電池的實際應用。同時，隨著智能電子、生物醫療的發展，未需來對柔性器件的求越來越多。因此，在保證電子傳遞效率高、性能穩定、壽命長的同時，開發具有可折疊性以及對外力或不平整表面良好適應性的柔性“糖”電池成為科學研究的一個前沿領域。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種電子傳遞效率高的柔性三維納米生物電極及其制備方法，適用于柔性電子產品或植入式醫療設備等領域。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：

一種柔性三維納米生物電極，它包括柔性電極基底材料、粘結于所述柔性電極基底材料表面的載體材料以及固載于所述載體材料上的酶，所述載體材料由三維大孔結構的石墨烯與結合在石墨烯表面的介孔碳復合而成，所述介孔碳分布于所述石墨烯的孔道結構表面，所述酶為葡萄糖氧化酶，來源于黑曲霉。

上述方案中，所述柔性電極基底材料為鍍有氧化銦錫薄膜的聚對苯二甲酸乙二醇酯聚合物材料(ITO-PET)。

一種柔性三維納米生物電極的制備方法，它包括以下步驟：

1)采用化學法將納米石墨粉氧化成氧化石墨，超聲處理后將氧化石墨剝離成單層片狀的氧化石墨烯溶液；

2)將步驟1)得到的氧化石墨烯通過水熱法制備得到三維石墨烯水凝膠，干燥后，得到三維石墨烯粉末；

3)利用季銨鹽類表面活性劑作為模板劑，在堿性條件下將硅源水解沉積在步驟2)得到的三維石墨烯表面，制備得到三維大孔-介孔SiO₂/石墨烯復合材料；

4)向步驟3)得到的產物中填充足夠的碳源，進一步碳化并除去SiO₂后，制備得到三維大孔-介孔碳/石墨烯復合材料；

5)將步驟4)得到的復合材料作為載體材料，吸附葡萄糖氧化酶，加入粘結劑后與柔性電極基底材料結合，制成柔性三維納米生物電極。

上述方案中，所述步驟1)中的氧化石墨烯溶液的濃度為2.0?mg/mL。

上述方案中，所述步驟2)中的水熱溫度為180℃，水熱時間為12小時。

上述方案中，步驟3)制備三維大孔-介孔SiO₂/石墨烯復合材料的具體步驟為：取480～960mg模板劑、10～50mg步驟2)制得的三維石墨烯、4～8mL乙醇和16～32mL水混合，在堿性條件下45～55℃水浴攪拌，6小時后，向溶液中加入0.5～1mL的硅源，繼續反應6～12小時，隨后將混合溶液真空抽濾并洗滌，再冷凍干燥處理，將冷凍干燥過的樣品在氬氣保護下以10℃/分鐘的升溫速率升溫到800℃，保溫3～5小時，即可制得大孔-介孔SiO₂/石墨烯復合材料。

上述方案中，步驟4)制備三維大孔-介孔碳/石墨烯復合材料的具體步驟為：將步驟3)制得的大孔-介孔SiO₂/石墨烯復合材料反復浸泡在預定濃度的蔗糖溶液中(溶劑為按超純水：乙醇體積比為1:6配成)得到混合溶液，隨后將混合溶液真空抽濾并洗滌，再冷凍干燥處理，將冷凍干燥過的樣品在氬氣保護下以10℃/分鐘的升溫速率升溫到700℃，保溫3～5小時，取出樣品后經過2M的NaOH溶液處理，即可制得大孔-介孔碳/石墨烯復合材料。

上述方案中，步驟5)制成柔性三維納米生物電極的具體步驟為：將步驟4)得到的復合材料作為載體材料，用水配制成10mg/mL的懸浮液，再配制10mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液，以及質量分數為0.5％的模板劑溶液，按載體材料懸浮液：葡萄糖氧化酶溶液：模板劑溶液體積比1:1:8配成混合溶液；混合攪拌2～6小時后，向混合溶液中滴加定量粘結劑溶液(粘結劑體積為混合溶液總體積的5-10％)，并攪拌10分鐘；將預定量的混合溶液滴在柔性電極基底材料上，室溫下晾干后即可制得柔性三維納米生物電極。

上述方案中，所述季銨鹽類表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，所述硅源為硅酸四乙酯(TEOS)，所述碳源為蔗糖，所述粘結劑為杜邦公司的Nafion溶液。

本發明的有益效果為：