[發明專利]一種酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極及其制備與應用

在審

• 申請號: 201611068649.2
• 申請日: 2016-11-28
• 公開（公告）號: CN106784862A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 樸金花;陳東霞
• 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;H01M8/16
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 羅觀祥

技術領域

本發明屬于電化學酶生物燃料電池領域，具體涉及一種基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極及制備方法與應用。

背景技術

酶生物燃料電池是采用氧化還原酶作為催化劑催化燃料氧化的生物燃料電池，在陽極產生氫離子和自由電子，陰極利用氫離子和自由電子將過氧化物還原為水，從而完成電子的流動，將化學能轉化為電能。

在酶生物燃料電池應用中，利用各種途徑(如加入納米顆粒、導電聚合物等對酶電極進行修飾)實現酶與電極之間的直接電子傳遞過程是提高輸出功率的重要手段，增加酶催化劑在電極表面的固定量也是提高輸出功率的重要方法，采用各種固定化技術(如利用生物高分子)將酶催化劑固定在電極表面是提高使用壽命的重要途徑。

在現有酶生物燃料電池中，作為催化劑的酶外層自身包裹蛋白質，該蛋白質層不導電，應用到燃料電池中會影響電子直接向外傳導的速率；而且在現有的酶生物燃料電池中，電池性能還會受到某些電活性物質的干擾；同時現有的酶的吸附量小，吸附不穩定。

發明內容

為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種具有良好的選擇性、靈敏度和穩定性的基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極，特別是酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極；

本發明的另一目的在于提供上述基于聚吡咯的酶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上述基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極在制備生物傳感器和/或制備生物燃料電池的應用。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極，以基底電極為中心，由內到外依次是介體層和酶層，介體層的材料為聚吡咯膜，酶層由甘油激酶(GK)水溶液、甘油3-磷酸氧化酶(GPO)水溶液及殼聚糖(CS)的醋酸溶液制備而成。

上述基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的制備方法，包括以下步驟：

(1)對基底電極進行表面預處理；

(2)在步驟(1)經過預處理的電極表面制備聚吡咯膜；

(3)將甘油激酶水溶液、甘油3-磷酸氧化酶水溶液及殼聚糖的醋酸溶液混合均勻，得復合溶液；

(4)將復合溶液滴加到步驟(2)的制備有聚吡咯膜的電極表面，室溫晾干，得到酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。

步驟(1)中所述的表面預處理過程如下：將基底電極的表面依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al₂O₃粉末拋光成鏡面，再用水沖洗；然后依次在無水乙醇和水中超聲清洗，取出用水洗凈，晾干，然后置于鐵氰化鉀溶液中(5mMK₃Fe(CN)₆+0.2M KCl)在0～0.8V下采用循環伏安法掃描進行電極活化處理。

步驟(2)中所述的聚吡咯膜的制備，包括以下步驟：

(a)將吡咯單體進行旋轉蒸發預處理，然后配成吡咯水溶液；

(b)將電極采用循環伏安法在吡咯水溶液中進行電化學聚合，晾干，得到覆蓋在電極表面的聚吡咯膜。

步驟(a)中所述旋轉蒸發預處理的條件為60～80℃旋轉蒸發1.5～2.5h，經過旋轉蒸發可較好解決吡咯單體放置一定時間后會發生自氧化聚合的問題。

步驟(a)中所述吡咯水溶液中需加入LiClO₄，溶液中LiClO₄的濃度為0.1M，吡咯的濃度為0.05～0.15M。

步驟(b)中所述電化學聚合的條件為聚合電位為-1～1V，聚合圈數為4～16，掃速為50mV/s。

步驟(3)中所述殼聚糖的醋酸溶液中殼聚糖的質量分數為0.15～0.25％，殼聚糖的醋酸溶液是采用醋酸溶液與殼聚糖配制而成的，所述醋酸的濃度為0.1M。

步驟(3)中所述甘油激酶水溶液的濃度為20～50mg/mL，甘油3-磷酸氧化酶水溶液的濃度為20～50mg/mL。

步驟(3)中所述復合溶液中甘油激酶水溶液、甘油3-磷酸氧化酶水溶液及殼聚糖的醋酸溶液的體積比為1:1:1.

步驟(4)中所述復合溶液滴加量為5～20μL。

上述基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極在制備生物傳感器和/或生物燃料電池中的應用。

本發明的原理：