[發明專利]一種高效酶燃料電池及制備方法

有效

• 申請號: 201711186625.1
• 申請日: 2017-11-24
• 公開（公告）號: CN108091880B
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 馬曉燕;惠昱晨;屈楓錦;索鴻飛
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/80;H01M4/88;H01M8/16
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種高效酶燃料電池及制備方法，采用導電性好與比表面積大的三維泡沫鎳作為酶電極基底是提高載酶量的一種最有效最簡單方法，載酶量相對于采用平面電極基底，提高了23倍，達4.03×10^?7mol cm^?2；在此基礎上沉積金沉積層并且負載羧基二茂鐵，構建直接與間接電子轉移通道有效提高酶陽極的電子傳輸效率，使組裝出的燃料電池的輸出功率達2.45±0.06mW cm^?2；通過共價鍵方式固定酶與羧基二茂鐵使酶燃料電池的穩定性得到提高，該酶燃料電池在4℃條件下存放60天最大輸出功率僅下降5.1％，在300次彎折之后其最大輸出功率下降小于0.5％。本發明的燃料電池能滿足為可穿戴設備供電的要求。

技術領域

本發明屬于酶燃料電池的制備技術領域，涉及一種高效酶燃料電池及制備方法，涉及一種載酶量大、電子傳遞速率快、穩定性好的高效柔性三維酶電極的制備方法，及采用這種柔性酶電極組裝成高效葡萄糖/氧氣酶燃料電池的方法。

背景技術

柔性酶燃料電池是一種以生物活性酶為電催化劑的燃料電池。它能夠在溫和條件下運行，能夠選擇性催化特定底物，而且具有可彎折的特點，可為可穿戴電子設備提供源源不斷的綠色能源，因而具有廣泛的應用前景。

然而，目前柔性酶燃料電池還處在實驗室研究的初級階段，還因為酶電極存在載酶量低，穩定性低，輸出功率小的問題，限制了這種新型電池的應用。目前國內外將研究的重點是如何提高酶電極的載酶量、保持電極的穩定性，而組裝電池的研究相對較少。本發明利用構筑的具有三維導電網絡結構、金直接導電與二茂鐵間接導電共存的雙重導電機制的負載納米金泡沫鎳-酶電極構筑了一個柔性軟包裝的全酶燃料電池；其中三維納米金泡沫鎳導電基底可以有效提高酶的負載量；修飾的金沉積層能夠在電極表面與酶的活性中心之間構建直接電子轉移通道，提高酶電極的電子傳輸效率，從而提高電極的電流密度，解決酶電池輸出功率低的問題；在電極上引入電介體，如羧基二茂鐵等，構建間接電子轉移通道，并使其與上述直接電子轉移通道協同作用，更進一步的提高酶電極的電流密度與組裝成的電池的功率；再通過共價鍵方式固定羧基二茂鐵、葡萄糖氧化酶或漆酶，以防止它們在制備與多次彎折使用的過程中脫落，提高酶電極的穩定性。

由于葡萄糖與氧氣是生物體中廣泛存在的還原劑與氧化劑，因此我們選用對葡萄糖具有高效催化性能的葡萄糖氧化酶作為陽極酶，選用對氧氣具有高效催化性能的漆酶作為陰極酶，依照上述思路制備葡萄糖氧化酶陽極與漆酶陰極，并與對人體無害的硅橡膠、特制瓊脂糖水凝膠及醋酸纖維素膜組裝，制成柔性葡萄糖/氧氣酶燃料電池。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種高效酶燃料電池及制備方法，制成的電池能為可穿戴裝置提供電能。

技術方案

一種高效酶燃料電池，其特征在于：包括酶陽極、酶陰極、導線、硅橡膠片和瓊脂糖水凝膠的醋酸纖維素薄膜；酶陽極和酶陰極平行放置，以瓊脂糖水凝膠的醋酸纖維素薄膜進行間隔；所述酶陽極和酶陰極上焊接有導線，分別封裝在硅橡膠片中；所述酶陽極是在柔性三維導電網絡電極上共價固定葡萄糖氧化酶獲得；所述酶陰極是在柔性三維導電網絡電極上共價固定漆酶獲得。

所述在柔性三維導電網絡電極上共價固定葡萄糖氧化酶獲得酶陽極的過程如下：

將柔性三維導電網絡電極浸泡在含4-氨基苯硫酚1～80mmol/L與4-巰基苯甲酸1～40mmol/L的無水乙醇溶液中于20～25℃下放置24～36小時；取出后用超純水沖洗并晾干，在將電極浸泡在含10～20mmol/L的N-羥基琥珀酰亞胺、20～40mmol/L的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽、0.1～0.5mmol/L的羧基二茂鐵與5～25g/L的葡萄糖氧化酶的超純水溶液中于35～40℃靜置2～16小時，取出后用超純水沖洗，于4℃下保存，即得到酶陽極。

所述在柔性三維導電網絡電極上共價固定漆酶獲得酶陰極的過程如下：