CN103066302A - 一种生物燃料电池阳极及其制备方法与应用 - Google Patents

一种生物燃料电池阳极及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物燃料电池阳极及其制备方法与应用，属于酶生物燃料电池生物技术领域。该生物燃料电池阳极以基底电极为中心，由内到外依次为纳米材料层、介体层和酶层。本发明通过将经过氨基功能化的分子筛分散液与Nafion溶液的混合液均匀涂于经过净化处理的基底电极上，干燥后通过浸渍法吸附硫堇，然后再将酶负载到分子筛上，并通过戊二醛的交联作用对酶进行固定。由于本发明以价格低廉，具有介孔结构的分子筛作为介体硫堇和酶催化剂的载体，因此具有成本低，催化剂及介体负载量大，催化性能好等优点，是一种低成本高性能的生物燃料电池阳极。

Description

一种生物燃料电池阳极及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物燃料电池技术领域，特别涉及一种生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。
背景技术
生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的装置，按照催化剂类型不同，可分为酶生物燃料电池和微生物燃料电池。大多数生物燃料电池只在阳极使用生物催化剂，阴极部分与一般的燃料电池没有什么区别，这是由于生物燃料电池同样以空气中的氧气作为氧化剂。因此在生物燃料电池领域的研究工作也多是针对电池阳极区的。生物燃料电池除在理论上具有很高的的能量转化率、无污染等优点外，还具有以下优点：1）原料广泛，可以利用一般燃料电池不能利用的多种有机物、无机物作为燃料，甚至可以利用光合作用或直接利用污水等；2）操作条件温和，一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作，使电池维护成本低、安全性强；3）生物相容性好，利用人体的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官或生物传感器的电源。然而将生物燃料电池作为电源应用于实际生产与生活还是比较遥远的。其主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电子传递过程。按照Marcus和Sutin提出的理论，电子转移率由电势差、重组能和电子供体与受体之间的距离决定。理论和实验均表明，随传递距离的增加，电子转移速率呈指数下降的趋势。对于酶生物燃料电池，大多数酶的活性中心深埋在酶的内部，仅仅是酶分子蛋白质外壳的厚度就足以对电子活性中心到电极的直接传递过程产生屏蔽作用，很难实现与电极之间的电子转移。国内外研究工作者已对酶的负载体及电子传递介体进行了不懈的研究，但载体和介体的不易定量、容易脱落等问题，限制了电池的功率性、稳定性和重现性。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种生物燃料电池阳极。
本发明的另一目的在于提供所述的生物燃料电池阳极的制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述的生物燃料电池阳极的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种生物燃料电池阳极，是以基底电极为中心，由内到外依次为纳米材料层、介体层和酶层；
所述的纳米材料层中的材料为分子筛；优选为氨基功能化的分子筛；
所述的分子筛优选为比表面积为大于1000m2/g、孔径为3～7nm、孔容为0.90～1.10mL/g的ZSM-5沸石分子筛；
所述的介体层材料为硫堇（Th）；
所述的酶层中的酶优选为氧化酶；
在每平方厘米所述的基底电极上，所述的纳米材料层中分子筛的含量为37.5～50μg；所述的酶层中的酶的含量为80～112U；
所述的生物燃料电池阳极的制备方法，包含以下步骤：
（1）将分子筛进行氨基功能化，功能化后的分子筛分散于水中，超声；然后和Nafion溶液混合得到分散均匀的分散液，将得到的分散液涂覆于基底电极上，干燥，形成包裹在基底电极的纳米材料层；
（2）将步骤（1）得到的含有纳米材料层的电极置于硫堇溶液中浸泡，取出，干燥，形成介体层；
（3）将交联剂、惰性蛋白、酶和水混合，得到酶层溶液；将酶层溶液覆于介体层上，2～8℃过夜干燥，在介体层上形成酶层，此时得到生物燃料电池阳极；
步骤（1）中所述的将分子筛进行氨基功能功化的具体步骤参见文献“Surface-modified Y zeolite-filled chitosan membrane for direct methanol fuel cell,J.Power Sources，2007，173：842–852.”，具体如下：将分子筛、3-氨丙基-3-乙氧基硅烷（3-Aminopropyl-triethoxysilane,APTES）和甲苯按照体积比1:2:20的比例混合，在110℃下，搅拌回流24h，过滤，用乙醇和蒸馏水清洗，洗去多余的硅烷残渣，然后100℃真空干燥，得到氨基功能功化的分子筛；
步骤（1）中所述的分子筛优选为ZSM-5沸石分子筛；
步骤（1）中所述的分子筛与所述的Nafion溶液优选按（0.25～0.5）mg：500μl配比；
步骤（1）中所述的纳米材料层的含量按如下基准计算：每平方厘米基底电极上分子筛的含量为37.5～50μg；
步骤（1）中所述的超声的条件优选为与50W、50Hz超声3min；
步骤（2）中所述的浸泡的时间优选为3h；
步骤（2）中所述的硫堇溶液的浓度优选为5mmol/L；
步骤（3）中所述的交联剂为戊二醛、已二胺、聚乙烯醇缩丁醛和顺丁烯二酸酐中的至少一种，优选为戊二醛；
步骤（3）中所述的惰性蛋白优选为牛血清蛋白；惰性蛋白用于保护酶；
步骤（3）中所述的酶优选为氧化酶，更优选为葡萄糖氧化酶；
步骤（3）中所述的酶层中酶的含量按如下基准计算：每平方厘米基底电极上酶的含量为80～112U；
所述的生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。
本发明的原理：本发明首先是将纳米材料ZSM-5沸石分子筛进行氨基功能化，然后将功能化后的ZSM-5沸石分子筛用Nafion溶液固定于基底电极表面，再将电极置于含有介体的溶液中。在实现酶的活性中心与电极之间的电子间接转移研究中，硫堇是被广泛应用的电子媒介体。硫堇是一种良好的电子传递体，经电聚合后形成聚合膜稳定性好，不易流失，且具有快速传递电子的能力。所以通过利用功能化之后的纳米材料与电子媒介体之间的相互作用，将两者复合形成多功能的复合物，能够实现电子的间接转移。最后，在纳米材料和介体的纳米复合物上涂覆含有氧化酶、交联剂和惰性蛋白组成的酶层，制得一种生物燃料电池阳极。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：本发明提供的生物燃料电池阳极具有：酶催化剂及介体负载量大，分子筛对它们的吸附，使得酶的负载量较大，有利于酶对底物的催化作用，产生更多的电子，同时也增加了介体的负载量，能将产生的这些电子进行良好的转移，能实现酶与电极之间的电子传递，也减少了因它们的易脱落而造成的对电池的功率性、稳定性和重现性的限制；该方法成本较低、容易制备（反应在室温中性环境）、催化性能好（在实施例中可看到明显的氧化还原峰变化）等优点，更为重要的是，该酶电极对底物的氧化在中性pH条件下进行，所用的底物为自然界中广泛存在的物质。因此，采用该方法制备的酶生物燃料电池阳极在生物燃料电池的研究中有广泛的应用前景。
附图说明
图1为有ZSM-5沸石分子筛和没有ZSM-5沸石分子筛的两个酶修饰电极的循环伏安曲线，a曲线代表在电极中未加入ZSM-5沸石分子筛时的循环伏安曲线，对应对比例1；b曲线代表在电极中加入ZSM-5沸石分子筛时的循环伏安曲线，对应于实施例1。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1生物燃料电池阳极ZSM-55/Nafion/Th/BSA/GOD的制备：
（1）制备氨基功能化的分子筛：对ZSM-5沸石分子筛（淄博齐创化工科技开发有限公司生产）进行氨基功能化，步骤如下：将ZSM-5沸石分子筛、3-氨丙基-3-乙氧基硅烷（3-Aminopropyl-triethoxysilane,APTES）和甲苯按照体积比1:2:20的比例混合，在110℃下，搅拌回流24h，然后过滤，用乙醇和蒸馏水清洗，洗去多余的硅烷残渣，然后100℃真空干燥，得到氨基功能化的分子筛，备用。
（2）纳米材料层的制备：将5mg经过氨基功能化的ZSM-5沸石分子筛分散于5mL蒸馏水中，室温下连续超声（超声功率为50W，频率为50Hz）3min，取500μL分散液于试管中，再向试管中加入500μLNafion溶液（浓度为质量百分比5%，杜邦），同样条件下再超声3min，吸取5μL经超声处理的分子筛分散液，涂覆在0.07平方厘米的玻碳基底电极上，室温下干燥，形成纳米材料层。
（3）介体层的制备：将步骤（2）制备的含有纳米材料层的电极浸泡于浓度为5mmol/L的硫堇溶液中，3h后取出，室温下干燥，形成介体层。
（4）酶层的制备：将16.7μL葡萄糖氧化酶溶液（F.Hoffmann-La Roche Ltd.，336U/mg，10g/L）、16.7μL浓度为质量百分比2.5％戊二醛溶液以及16.7μL浓度为10g/L的牛血清蛋白溶液混匀，得到50μL酶层涂覆溶液。取5μL酶层涂覆溶液涂覆在介体层上，4℃下干燥，形成酶层，得到葡萄糖氧化酶电极，该电极可作为生物燃料电池的复合生物阳极。
该电极性能测试采用标准三电极体系：制备的ZSM-5沸石分子筛修饰的葡萄糖氧化酶修饰玻碳电极（GCE，直径为3mm，天津英科联合科技有限公司）为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，使用美国青藤DY2322双恒电位仪室温下进行循环伏安曲线测试。测试结果如图1所示，其中，b曲线代表实施例1所制备的葡萄糖氧化酶电极在pH为7.0的磷酸缓冲溶液（0.2mol/LNa2HPO4和0.2mol/L NaH2PO4=3:2（v/v））中，空气饱和状态下，葡萄糖浓度为4mM时的循环伏安曲线，以对比例1制备的电极作为对照，对比例1制备的电极的循环伏安曲线a线。可见本实施例所制备的电极对葡萄糖有很好的催化氧化作用，氧化峰电流密度为114μA/cm2。
实施例2生物燃料电池阳极ZSM-57/Nafion/Th/BSA/GOD的制备：
（1）制备氨基功能化ZSM-5沸石分子筛，方法与实施例1步骤（1）相同。
（2）纳米材料层的制备：将5mg经过氨基功能化的分子筛分散于5mL蒸馏水中，室温下连续超声（超声功率为50W，频率为50Hz）3min，取500μL分散液于试管中，再向试管中加入500μLNafion溶液（浓度为质量百分比5%，杜邦），同样条件下再超声3分钟，吸取7μL经超声处理的分子筛悬浊液涂覆在0.07平方厘米的玻碳基底电极上，室温下干燥，形成纳米材料层。
（3）介体层的制备：方法与实施例1步骤（1）相同。
（4）酶层的制备：酶层涂覆溶液的配制与实施例1步骤（4）相同，取7μL酶层涂覆溶液涂覆在介体层上，4℃下干燥，形成酶层，得到葡萄糖氧化酶电极，该电极可作为生物燃料电池的复合生物阳极。
该电极性能测试方法与实施例1相同，所制备的电极对葡萄糖有的催化氧化峰电流密度为103μA/cm2。
实施例3生物燃料电池阳极ZSM-551/Nafion/Th/BSA/GOD的制备：
（1）制备氨基功能化ZSM-5沸石分子筛,方法与实施例1步骤（1）相同。
（2）纳米材料层的制备：将2.5mg经过氨基功能化的分子筛分散于5mL蒸馏水中，室温下连续超声（超声功率为50W，频率为50Hz）3分钟，取500μL分散液于试管中，再向试管中加入500μL Nafion溶液（浓度为质量百分比5%，杜邦），同样条件下再超声3分钟，吸取5μL经超声处理的分子筛悬浊液涂覆在0.07平方厘米的玻碳基底电极上，室温下干燥，形成纳米材料层。
（3）介体层的制备：方法与实施例1步骤（1）相同。
（4）酶层的制备：酶层涂覆溶液的配制同实施例1步骤（4），取7μL酶层涂覆溶液涂覆在介体层上，4℃下干燥，形成酶层，得到葡萄糖氧化酶电极，该电极可作为生物燃料电池的复合生物阳极。
该电极性能测试方法与实施例1相同，所制备的电极对葡萄糖有的催化氧化峰电流密度为96μA/cm2。
实施例4生物燃料电池阳极ZSM-552/Nafion/Th/BSA/GOD的制备
（1）制备氨基功能化ZSM-5沸石分子筛,方法与实施例1步骤（1）相同。
（2）纳米材料层的制备：将5mg经过氨基功能化的ZSM-5沸石分子筛分散于5mL蒸馏水中，室温下连续超声（超声功率为50W，频率为50Hz）3min，取500μL分散液于试管中，再向试管中加入500μLNafion溶液（浓度为质量百分比5%，杜邦），同样条件下再超声3min，吸取5μL经超声处理的分子筛悬浊液涂覆在0.07平方厘米的玻碳基底电极上，室温下干燥，形成纳米材料层。
（3）介体层的制备：将步骤（2）制备的含有纳米材料层的电极浸泡于浓度为5mmol/L的硫堇溶液中，30min后取出，室温下干燥，形成介体层。
（4）酶层的制备：酶层涂覆溶液的配制同实施例1步骤（4），取7μL酶层涂覆溶液涂覆在介体层上，4℃下干燥，形成酶层，得到葡萄糖氧化酶电极，该电极可作为生物燃料电池的复合生物阳极。
该电极性能测试方法与实施例1相同，所制备的电极对葡萄糖有的催化氧化峰电流密度为96μA/cm2。
对比例1生物燃料电池阳极ZSM-50/Nafion/Th/BSA/GOD的制备
（1）介体层的制备：将玻碳电极浸泡于浓度为5mmol/L的硫堇溶液中，3h后取出，室温下干燥，形成介体层。
（2）酶层的制备：酶层涂覆溶液的配制同实施例1步骤（4），取5μL酶层涂覆溶液涂覆在介体层上，4℃下干燥，形成酶层，得到葡萄糖氧化酶电极，该电极可作为生物燃料电池的复合生物阳极。
该电极性能测试方法与实施例1相同，所制备的电极对葡萄糖有的催化氧化峰电流密度为84μA/cm2。
对比例2生物燃料电池阳极ZSM-553/Nafion/Th/BSA/GOD的制备
（1）纳米材料层的制备：将5mg ZSM-5（未经过氨基功能化）沸石分子筛分散于5mL蒸馏水中，室温下连续超声（超声功率为50W，频率为50Hz）3min，取500μL分散液于试管中，再向试管中加入500μLNafion溶液（浓度为质量百分比5%，杜邦），同样条件下再超声3min，吸取5μL经超声处理的分子筛分散液，涂覆在0.07平方厘米的玻碳基底电极上，室温下干燥，形成纳米材料层。
（2）介体层的制备：将玻碳电极浸泡于浓度为5mmol/L的硫堇溶液中，3h后取出，室温下干燥，形成介体层。
（3）酶层的制备：酶层涂覆溶液的配制同实施例1步骤（4），取5μL酶层涂覆溶液涂覆在介体层上，4℃下干燥，形成酶层，得到葡萄糖氧化酶电极，该电极可作为生物燃料电池的复合生物阳极。
该电极性能测试方法与实施例1相同，所制备的电极对葡萄糖有的催化氧化峰电流密度为101μA/cm2。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物燃料电池阳极，其特征在于：是以基底电极为中心，由内到外依次为纳米材料层、介体层和酶层；
所述的纳米材料层中的材料为分子筛；
所述的介体层材料为硫堇。
2.根据权利要求1所述的生物燃料电池阳极，其特征在于：
所述的分子筛为氨基功能化的分子筛；
所述的酶层中的酶为氧化酶。
3.根据权利要求2所述的生物燃料电池阳极，其特征在于：
所述的分子筛为比表面积为大于1000m2/g、孔径为3～7nm、孔容为0.90～1.10mL/g的ZSM-5沸石分子筛。
4.根据权利要求1所述的生物燃料电池阳极，其特征在于：在每平方厘米所述的基底电极上，所述的纳米材料层中分子筛的含量为37.5～50μg；所述的酶层中的酶的含量为80～112U。
5.权利要求1所述的生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）将分子筛进行氨基功能化，功能化后的分子筛分散于水中，超声；然后和Nafion溶液混合得到分散均匀的分散液，将得到的分散液涂覆于基底电极上，干燥，形成包裹在基底电极的纳米材料层；
（2）将步骤（1）得到的含有纳米材料层的电极置于硫堇溶液中浸泡，取出，干燥，形成介体层；
（3）将交联剂、惰性蛋白、酶和水混合，得到酶层溶液；将酶层溶液覆于介体层上，2～8℃过夜干燥，在介体层上形成酶层，此时得到生物燃料电池阳极。
6.根据权利要求5所述的生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的将分子筛进行氨基功能功化的具体步骤如下：将分子筛、3-氨丙基-3-乙氧基硅烷和甲苯按照体积比1:2:20的比例混合，在110℃下，搅拌回流24h，过滤，用乙醇和蒸馏水清洗，洗去多余的硅烷残渣，然后100℃真空干燥，得到氨基功能功化的分子筛。
7.根据权利要求5所述的生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的分子筛为ZSM-5沸石分子筛；
步骤（1）中所述的分子筛与所述的Nafion溶液按（0.25～0.5）mg：500μl配比；
步骤（1）中所述的纳米材料层的含量按如下基准计算：每平方厘米基底电极上分子筛的含量为37.5～50μg；
步骤（1）中所述的超声的条件为与50W、50Hz超声3min。
8.根据权利要求5所述的生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述的浸泡的时间为3h；
步骤（2）中所述的硫堇溶液的浓度为5mmol/L。
9.根据权利要求5所述的生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于：
步骤（3）中所述的交联剂为戊二醛、已二胺、聚乙烯醇缩丁醛和顺丁烯二酸酐中的至少一种；
步骤（3）中所述的惰性蛋白为牛血清蛋白；
步骤（3）中所述的酶为氧化酶；
步骤（3）中所述的酶层中酶的含量按如下基准计算：每平方厘米基底电极上酶的含量为80～112U。
10.权利要求1所述的生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。
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