[發明專利]一種碳纖維及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201811568960.2
• 申請日: 2018-12-21
• 公開（公告）號: CN109709187B
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 胡宗倩;李剛勇;伯曉晨;李子涵;安淵林
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍軍事科學院軍事醫學研究院
• 主分類號: G01N27/327
• 分類號: G01N27/327;H01M8/16
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;王春霞

本發明公開了一種碳纖維及其制備方法與應用。它的制備方法，包括如下步驟：將泡沫鎳作為基底置于反應器皿中，除去體系中的空氣，然后以乙炔作為碳源，采用化學氣相沉積方法反應，即得到碳纖維。本發明所述碳纖維在制備葡萄糖生物傳感器和/或葡萄糖/氧氣生物燃料電池中的應用。本發明葡萄糖生物傳感器，其分子識別元件表面包覆所述碳纖維；且所述碳纖維上固定葡萄糖氧化酶。本發明葡萄糖生物燃料電池，其工作電極表面包覆所述碳纖維；且所述碳纖維上固定所述葡萄糖氧化酶。本發明碳纖維在葡萄糖生物傳感器和GBFC應用中表現出良好的電化學性能。

技術領域

本發明涉及一種碳纖維及其制備方法與應用，具體涉及一種電極及其制備方法，以及生物傳感器和生物燃料電池，屬于材料領域。

背景技術

酶生物燃料電池(EBFCs)是利用酶在中性條件下(例如，接近室溫、中性pH)從生物燃料中產生電力的裝置。與使用貴金屬作為催化劑的傳統燃料電池相比，EBFCs由于其低成本和高催化效率引起了極大興趣。在這些EBFC中，葡萄糖/氧氣生物燃料電池(GBFC)主要利用葡萄糖氧化酶(GOx)在陽極將葡萄糖氧化成葡萄糖酸內酯，利用漆酶(Lac)或膽紅素氧化酶在陰極將氧氣還原成水。然而，GBFCs具有功率輸出低等嚴重缺點，這主要是由于GOx的氧化還原活性位點與電極之間的電子轉移緩慢引起的，因為大部分酶的氧化還原活性位點深深地嵌入蛋白質內部。另一方面，GOx在電極表面的變性會導致隨時間推移的不穩定性。迄今為止，人們主要通過使用導電碳材料作為電“導線”將酶固定到電極表面上來實現從酶的氧化還原活性位點到電極的直接電子轉移(DET)。實現電子轉移的另一種模式是所謂的介體電子轉移(MET)，在酶催化反應期間產生的電子通過氧化還原介體從酶氧化還原活性位點穿梭至電極表面。盡管其可以有效地提高電子轉移能力，但是MET存在氧化還原介體由于其不穩定性而可能對GBFC性能造成負面影響的缺點，并且介體的固定也是一個復雜過程。此外，特別對于植入式GBFCs，介體從電極泄漏還可能帶來毒性問題。因此，在GOx和不含介體的電極之間使用DET優選用于獲得高性能GBFC。

近年來，碳納米管(CNTs)、碳纖維、導電聚合物和石墨烯納米片等各種碳材料具有令人驚異的性能(良好的導電性、高比表面積、化學惰性、機械和熱穩定性)，已廣泛作為載體用以固定GOx，從而提高GBFC性能。然而，由于缺乏含氧官能團，原始碳材料表現出較差的表面活性和疏水性，這不僅使固定酶很困難，而且阻止反應物進入酶氧化還原活性位點。因此，為了在酶/電極界面處實現DET并獲得高性能GBFC，使其表面具有活性和疏水性具有重要意義。通常，化學氧化是產生一些氧官能化碳材料的通用方法。不幸的是，這種方法不僅導致孔隙和表面結構的破壞，而且以犧牲碳材料的導電性為代價，從而降低了電催化性能。

化學氣相沉積(CVD)已經用于合成石墨烯和碳纖維等碳材料。然而，盡管它們具有良好的導電性，但這些碳材料通常缺乏固定酶分子的活性位點，因此不適用于GBFCs。

發明內容

本發明的目的是提供一種電極及其制備方法以及應用，本發明碳纖維在葡萄糖生物傳感器和GBFC應用中表現出良好的電化學性能。

本發明提供的一種碳纖維的制備方法，包括如下步驟：將泡沫鎳作為基底置于反應器皿中，除去體系中的空氣，然后以乙炔作為碳源，采用化學氣相沉積方法反應，即得到碳纖維。

上述的制備方法中，所述泡沫鎳為鎳納米粒子包覆的泡沫材料；

制備所述泡沫鎳包括如下步驟：對所述泡沫材料氧化處理，然后進行化學鍍鎳，即得；

所述方法中還包括將所述碳纖維在惰性氣氛中退火的步驟。

上述的制備方法中，所述泡沫材料包括聚氨酯泡沫、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯和酚醛樹脂中的至少一種；

所述泡沫材料氧化處理包括如下步驟：將所述泡沫材料采用堿液清洗，浸入KMnO₄/H₂SO₄水溶液中氧化，然后用草酸水溶液清洗；