CN103066305B - 酶生物燃料电池电极及在制备双室酶生物燃料电池中的应用 - Google Patents

酶生物燃料电池电极及在制备双室酶生物燃料电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酶生物燃料电池电极及在制备双室酶生物燃料电池中的应用。本发明是以碳纸为电极基板，以海藻酸钠/碳纳米管/壳聚糖复合体系固定酶得到酶生物燃料电池电极。当酶为葡萄糖氧化酶，得到的是阳极；当酶为辣根过氧化物酶，得到的是阴极；然后以酶反应底物为燃料，质子半透膜为分隔膜组装得到双室酶生物燃料电池。本发明采用包埋法和吸附法协同固定酶，固定效果好，酶的性能稳定，生物相容性好。本发明提供的酶生物燃料电池电极应用广泛，提供的双室酶生物燃料电池性能好。

Description

酶生物燃料电池电极及在制备双室酶生物燃料电池中的应用
技术领域
本发明涉及一种电池电极，特别涉及一种酶生物燃料电池电极及在制备双室酶生物燃料电池中的应用。
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，如葡萄糖，乙醇等的化学能转化为电能的一类电池。微生物工作的本质也就是利用其体内的酶进行催化反应，由于微生物燃料电池的研究较为复杂，而酶燃料电池可以提供更高的输出功率，工作环境也更为温和，所以，目前酶生物燃料电池为主要的研究方向。葡萄糖是自然界普遍存在的有机物，同时存在于人体内，它可以被葡萄糖氧化酶氧化而运用于的电池的阳极，基于葡萄糖的生物燃料电池在医学领域，能源领域都有广阔的应用前景。
酶生物燃料电池按照阴极的不同可以分为单室酶生物燃料电池和双室酶生物燃料电池。前者是利用空气中的氧气作为电子受体。主要优点是体积小，原料便宜。双室酶生物燃料电池的阴极电子受体根据所用的酶的不同有更多的选择，相对于传统的使用化学催化剂作为阴极，生物阴极具有以下优点：①不需要添加化学催化剂或人工媒介体，降低了其构建成本；②不存在化学催化剂失活现象，提高电池稳定性；③阴极的底物广泛，有广阔的应用前景。
影响电池性能的一个重要因素是酶的催化效率问题。酶的催化效率主要取决于酶的固定，包括酶固定量，固定的稳定性，酶活性中心与底物之间电子传递等。通常的固定化方法大体可概括为四种类型：吸附法（包括物理吸附和离子交换吸附法）、共价偶联法、交联法和包埋法。包埋法作为酶固定的一种重要方法，具有以下优点：酶的固定量大，包埋膜种类多，固定牢固，操作简单。
壳聚糖分子中存在丰富的羟基和氨基，与各种蛋白质的亲和力非常强，是一种固定化酶的优良载体。壳聚糖的氨基在适当的pH下容易质子化形成阳离子聚电解质。海藻酸钠作为天然高分子材料因其安全、环保以及工艺方面的优良性也广泛应用于酶的固定化中，如固定化脂肪酶、谷氨酰胺转胺酶等。海藻酸钠的羧基在水中易离子化成阴离子聚电解质，聚阳离子和聚阴离子可互相吸引形成稳定的聚电解质化合物。利用壳聚糖氨基组与海藻酸羧基组的结合作用可以很好的将酶固定在凝胶网络中。
纳米材料因其特有的特性而广泛运用于电极的修饰。碳纳米管因其独特的结构、优异的电学和机械性能，成为世界范围内的研究热点之一。将碳纳米管运用于酶生物燃料电池中，可以很好的改善电极的性能，增大其对酶的吸附量，酶的稳定性，电子的传导效力等。
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，提供一种酶生物燃料电池阳极的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种酶生物燃料电池电极的制备方法，是以碳纸为电极基板，以海藻酸钠/碳纳米管/壳聚糖复合体系固定酶得到酶生物燃料电池电极；
所述的碳纳米管优选短单壁碳纳米管或者短多壁碳纳米管，直径为20～30nm，长度为0.5～2μm；
所述的壳聚糖优选分子量在1～5万道尔顿的壳聚糖，更优选为分子量为3万道尔顿的壳聚糖；
所述的海藻酸钠的粘度为1.05～1.15Pa.s；
所述的酶为葡萄糖氧化酶或辣根过氧化物酶；
所述的酶生物燃料电池电极包括阳极和阴极；
所述的酶生物燃料电池电极的制备方法，优选包括以下具体步骤：
（1）将碳纳米管放入丙酮溶液中浸泡，过滤，并用蒸馏水清洗；将清洗过的碳纳米管置于按体积比3:1配比得到的H2SO4/HNO3混酸溶液中超声，过滤，用蒸馏水清洗干净，真空干燥；得到处理过的碳纳米管；
（2）将步骤（1）处理过的碳纳米管与质量百分比0.5～1.5%的海藻酸钠水溶液混合，其中，碳纳米管和海藻酸钠按质量比1:1配比；超声，形成分散均匀的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液；
（3）将碳纸放入丙酮溶液中浸泡，取出用蒸馏水清洗，然后真空干燥；
（4）将浓度为8～12mg/ml的酶水溶液和步骤（2）得到的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液按体积比1:1混合，将得到的混合液均匀地涂布在步骤（3）处理过的碳纸表面，干燥，其中每平方厘米碳纸上涂布1ml混合液；
（5）将壳聚糖溶于浓度为0.2mol/L的乙酸溶液中，得到壳聚糖乙酸溶液，其中壳聚糖的终浓度为质量百分比0.5%；
（6）将步骤（4）干燥得到的碳纸浸入步骤（5）制备的壳聚糖乙酸溶液，固化，得到负载有酶的碳纸，即酶生物燃料电池电极；
步骤（1）所述的浸泡的时间优选为30分钟；
步骤（1）中所述的超声的条件优选为100Hz超声6h；
步骤（2）中所述的超声的条件优选为50℃、100Hz超声6h；
步骤（3）中所述的浸泡的时间优选为6h；
步骤（3）中所述的真空干燥的条件优选为100℃真空干燥12h；
步骤（4）中所述的干燥的条件为4℃干燥；
步骤（4）中所述的酶为葡萄糖氧化酶或辣根过氧化物酶；
当所述的酶生物燃料电池电极为阳极时，所述的酶为葡萄糖氧化酶；
当所述的酶生物燃料电池电极为阴极时，所述的酶为辣根过氧化物酶；
步骤（6）中所述的固化的时间优选为8h；
一种酶生物燃料电池电极，通过上述制备方法制备得到；
所述的酶生物燃料电池电极，可用于制备酶生物燃料电池或是生物传感器；
一种双室酶生物燃料电池，以上述酶生物燃料电池电极为阳极和阴极，酶反应底物为燃料，质子半透膜为分隔膜组装得到；
所述的双室酶生物燃料电池的制备方法，包含以下步骤：
（1）按照上述酶生物燃料电池电极的制备方法制备酶生物电极，其中用葡萄糖氧化酶制备得到的酶生物燃料电池电极为阳极，用辣根过氧化物酶制备得到的酶生物燃料电池电极为阴极；
（2）阳极室的溶液为pH7.0、0.2mol/L的PBS缓冲溶液，其中含0.2mM二茂铁和150mM葡萄糖；
（3）阴极室的溶液为pH7.0、0.2mol/L的PBS缓冲溶液，其中含100mM过氧化物；
（4）将质子半透膜在双氧水中预处理后，将阳极室和阴极室隔开，得到双室酶生物燃料电池。
步骤（3）中所述的过氧化物优选为过氧化氢（双氧水）或过氧化叔丁醇；
步骤（4）中所述的预处理的具体步骤优选为将质子半透膜置于质量百分比30%的双氧水中沸腾10min，取出在蒸馏水中煮沸15min，然后在1:1硫酸中在80℃煮30min，取出在蒸馏水中煮沸15min，然后放入蒸馏水中保存备用。
本发明的原理：酶的固定是影响电池性能的关键因素。海藻酸钠和壳聚糖组成的聚电解质化合物对酶有很好的包埋效果。碳纳米管作为一种广泛使用的纳米材料，对酶的吸附和电子传导都有良好的效果。将碳纳米管和海藻酸钠/壳聚糖组成的凝胶体系结合，协同固定酶，使电极的性能得到极大的提高。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
（1）本发明采用包埋法和吸附法协同固定酶，固定效果好，酶的性能稳定。
（2）本发明采用海藻酸钠、壳聚糖和碳纳米管为固定材料，生物相容性好，价格便宜。
（3）本发明的应用广泛，可用于燃料电池、生物传感器和废水的处理等领域。
附图说明
图1是实施例1对应功率密度图，曲线A为实施例2对应的功率密度图，曲线B为对比例1对应的功率密度图。
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
（1）取一定量碳纳米管（直径20～30nm，长度0.5～2μm）放入丙酮中浸泡30min，然后过滤，用蒸馏水清洗，烘干。然后将清洗过的碳纳米管加入H2SO4/HNO3（3:1，v/v）混酸溶液中超声（100Hz）6h，过滤，用蒸馏水清洗干净，真空干燥，备用。
（2）以水为溶剂，50℃配制1%（w/w）的海藻酸钠（粘度1.05～1.15Pa.s）溶液。将步骤（1）处理好的碳纳米管和海藻酸钠溶液混合，碳纳米管和海藻酸钠按质量比1:1配比（碳纳米管的终浓度可计为1%（w/w））；超声处理（50℃、100Hz）6h，形成分散均匀的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液。
（3）取两张碳纸（1×1cm），放入丙酮溶液中浸泡6h，取出用蒸馏水清洗，然后100℃下真空干燥12h。
（4）配制0.2mol/L的乙酸溶液，将壳聚糖（分子量3万道尔顿）溶于其中，配成0.5%（w/w）的壳聚糖乙酸溶液。
（5）用水配制8mg/ml的葡萄糖氧化酶，将酶溶液与步骤（2）制备的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液按体积比1:1混合。取1ml混合液均匀的涂在步骤（3）中处理过的碳纸表面，4℃干燥；浸入步骤（4）制备的壳聚糖乙酸溶液，固化8h。连接银丝，得到阳极。
（6）用水配制8mg/ml的辣根过氧化物酶，将酶溶液与步骤（2）制备的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液按体积比1:1混合。取1ml混合液均匀的涂在步骤（3）中处理过的碳纸表面，4℃干燥；浸入步骤（4）制备的壳聚糖乙酸溶液，固化8h。连接银丝，得到阴极。
（7）将质子半透膜置于质量百分比30%的双氧水中沸腾10min，取出在蒸馏水中煮沸15min，然后在1:1硫酸中在80℃煮30min，取出在蒸馏水中煮沸15min，然后放入蒸馏水中保存备用。
（8）阳极室的溶液为pH7.0、0.2mol/LPBS缓冲溶液（0.2mol/LNa2HPO4和0.2mol/LNaH2PO4按体积比3:2配比得到，下同），含0.2mM二茂铁和150mM葡萄糖。
（9）阴极室的溶液为pH7.0、0.2mol/LPBS缓冲溶液，含100mM双氧水。
（10）电池的组装：
a、制备的酶生物燃料电池为双室电池，分为阳极室和阴极室，中间用处理过的质子半透膜作为电解质将阳极室溶液和阴极室溶液分开，然后将阳极室溶液和阴极室溶液加入各室中；
b、将制备好的分别载有葡萄糖氧化酶和辣根过氧化物酶的碳纸分别放入阳极室和阴极室，并用银丝与外电路相连，组装成双室酶生物燃料电池。
（11）电池的测试：
电池的测试使用新威电池性能测试系统CT-3008W，测试得出电池的电压和电流密度，然后计算出功率密度。其中功率密度计算公式：P=UI/S，mW/m2。其中，U为电压，V；I为电流，mA；S为阳极面积，m2。得到的酶生物燃料电池最大功率密度为170μW/cm2。
实施例2
（1）取一定量碳纳米管，处理同实施例1中步骤（1）。
（2）以水为溶剂，海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液配制同实施例1中步骤（2）。
（3）取两张碳纸（1×1cm），处理方法同实施例1中步骤（3）。
（4）壳聚糖乙酸溶液的配制同实施例1中步骤（4）。
（5）用水配制12mg/ml的葡萄糖氧化酶，将酶溶液与步骤（2）制备的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液按体积比1:1混合。取1ml混合液均匀的涂在步骤（3）中处理过的碳纸表面，4℃干燥；浸入步骤（4）制备的壳聚糖乙酸溶液，固化8h。连接银丝，得到生物阳极。
（6）阴极的制作同实施例1中步骤（6）。
（7）质子半透膜的处理同实施例1中步骤（7）。
（8）阳极室溶液配制同实施例1中步骤（8）。
（9）阴极室溶液配制同实施例1中步骤（9）。
（10）电池的组装同实施例1中步骤（10）。
（11）电池的测试：
电池的测试同实施例1中（11），测得功率密度曲线为图1中曲线A，功率密度：P=UI/S，mW/m2。其中，U为电压，V；I为电流，mA；S为阳极面积，m2。电压、电流在新威电池性能测试系统CT-3008W上进行检测，用Origin绘图软件，将测得的电压、电流数据导入软件绘图，以公式P=UI/S计算功率密度并绘制功率曲线，得到的酶生物燃料电池最大功率密度为208μW/cm2。同时以没有碳纳米管的电极（如对比例1制备的电极为对照），得到的结果如图1曲线B所示，通过图中的结果可以看出，以海藻酸钠/碳纳米管/壳聚糖复合体系固定酶得到酶生物燃料电池电极制备的酶生物燃料电池的功率密度远远大于以不加碳纳米管的修饰酶电极制备的燃料电池的功率密度，说明以海藻酸钠/碳纳米管/壳聚糖复合体系固定酶得到酶生物燃料电池电极，可以极大的提高酶生物燃料电池的性能。
实施例3
（1）取一定量碳纳米管，处理同实施例1中步骤（1）。
（2）以水为溶剂，50℃配制0.5%（w/w）的海藻酸钠（粘度1.05～1.15Pa.s）溶液。将步骤（1）处理好的碳纳米管和海藻酸钠溶液混合，碳纳米管和海藻酸钠按质量比1:1配比（碳纳米管的终浓度可计为1%（w/w））；超声处理（50℃、100Hz）6h，形成分散均匀的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液。
（3）取两张碳纸（1×1cm），处理方法同实施例1中步骤（3）。
（4）壳聚糖乙酸溶液的配制同实施例1中步骤（4）。
（5）阳极的制作同实施例1中步骤（5）。
（6）阴极的制作同实施例1中步骤（6）。
（7）质子半透膜的处理同实施例1中步骤（7）。
（8）阳极室溶液配制同实施例1中步骤（8）。
（9）阴极室溶液配制同实施例1中步骤（9）。
（10）电池的组装同实施例1中步骤（10）。
（11）电池的测试：
电池的测试同实施例1中（11），得到的酶生物燃料电池最大功率密度为160μW/cm2
实施例4
（1）取一定量碳纳米管，处理同实施例1中步骤（1）。
（2）以水为溶剂，50℃配制1.5%（w/w）的海藻酸钠（粘度1.05～1.15Pa.s）溶液。将步骤（1）处理好的碳纳米管和海藻酸钠溶液混合，碳纳米管和海藻酸钠按质量比1:1配比（碳纳米管的终浓度可计为1%（w/w））；超声处理（50℃、100Hz）6h，形成分散均匀的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液。
（3）取两张碳纸（1×1cm），处理方法同实施例1中步骤（3）。
（4）壳聚糖乙酸溶液的配制同实施例1中步骤（4）。
（5）阳极的制作同实施例1中步骤（5）。
（6）阴极的制作同实施例1中步骤（6）。
（7）质子半透膜的处理同实施例1中步骤（7）。
（8）阳极室溶液配制同实施例1中步骤（8）。
（9）阴极室溶液配制同实施例1中步骤（9）。
（10）电池的组装同实施例1中步骤（10）。
（11）电池的测试：
电池的测试同实施例1中（11），得到的酶生物燃料电池最大功率密度为180μW/cm2
对比例1
（1）以水为溶剂，配制质量分数为1%的海藻酸钠溶液
（2）取两张碳纸（1×1cm），处理方法同实施例1中步骤（3）。
（3）壳聚糖乙酸溶液的配制同实施例1中步骤（4）。
（4）用水配制12mg/ml的葡萄糖氧化酶，将酶溶液与步骤（2）制备的海藻酸钠溶液。取1ml混合液均匀的涂在步骤（3）中处理过的碳纸表面，4℃干燥；浸入步骤（4）制备的壳聚糖乙酸溶液，固化8h。连接银丝，得到生物阳极。。
（6）阴极的制作同实施例1中步骤（6）。
（7）质子半透膜的处理同实施例1中步骤（7）。
（8）阳极室溶液配制同实施例1中步骤（8）。
（9）阴极室溶液配制同实施例1中步骤（9）。
（10）电池的组装同实施例1中步骤（10）。
（11）电池的测试：
电池的测试同实施例1中（11），得到的酶生物燃料电池最大功率密度为100μW/cm2。
对比例2
（1）取一定量碳纳米管，处理同实施例1中步骤（1）。
（2）以水为溶剂，海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液配制同实施例1中步骤（2）。
（3）取两张碳纸（1×1cm），处理方法同实施例1中步骤（3）。
（4）壳聚糖乙酸溶液的配制同实施例1中步骤（4）。
（5）用水配制4mg/ml的葡萄糖氧化酶，将酶溶液与步骤（2）制备的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液按体积比1:1混合。取1ml混合液均匀的涂在步骤（3）中处理过的碳纸表面，4℃干燥；浸入步骤（4）制备的壳聚糖乙酸溶液，固化8h。连接银丝，得到生物阳极。
（6）阴极的制作同实施例1中步骤（6）。
（7）质子半透膜的处理同实施例1中步骤（7）。
（8）阳极室溶液配制同实施例1中步骤（8）。
（9）阴极室溶液配制同实施例1中步骤（9）。
（10）电池的组装同实施例1中步骤（10）。
（11）电池的测试：
电池的测试同实施例1中（11），得到的酶生物燃料电池最大功率密度为100μW/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 (8)

1.一种酶生物燃料电池电极的制备方法，其特征在于：是以碳纸为电极基板，以海藻酸钠/碳纳米管/壳聚糖复合体系固定酶得到酶生物燃料电池电极；
具体包括如下步骤：
(1)将碳纳米管放入丙酮溶液中浸泡，过滤，并用蒸馏水清洗；将清洗过的碳纳米管置于按体积比3:1配比得到的H2SO4/HNO3混酸溶液中超声，过滤，用蒸馏水清洗干净，真空干燥；得到处理过的碳纳米管；
(2)将步骤(1)处理过的碳纳米管与质量百分比0.5～1.5％的海藻酸钠水溶液混合，其中，碳纳米管和海藻酸钠按质量比1:1配比；超声，形成分散均匀的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液；
(3)将碳纸放入丙酮溶液中浸泡，取出用蒸馏水清洗，然后真空干燥；
(4)将浓度为8～12mg/mL的酶水溶液和步骤(2)得到的海藻酸钠/碳纳米管复合物分散液按体积比1:1混合，将得到的混合液均匀地涂布在步骤(3)处理过的碳纸表面，干燥，其中每平方厘米碳纸上涂布1mL混合液；
(5)将壳聚糖溶于浓度为0.2mol/L的乙酸溶液中，得到壳聚糖乙酸溶液，其中壳聚糖的终浓度为质量百分比0.5％；
(6)将步骤(4)干燥得到的碳纸浸入步骤(5)制备的壳聚糖乙酸溶液，固化，得到负载有酶的碳纸，即酶生物燃料电池电极。
2.根据权利要求1所述的酶生物燃料电池电极的制备方法，其特征在于：所述的碳纳米管为短单壁碳纳米管或者短多壁碳纳米管，直径为20～30nm，长度为0.5～2μm；
所述的壳聚糖为分子量在1～5万道尔顿的壳聚糖；
所述的海藻酸钠的粘度为1.05～1.15Pa·s；
所述的酶为葡萄糖氧化酶或辣根过氧化物酶；
所述的酶生物燃料电池电极为阳极和/或阴极。
3.根据权利要求1所述的酶生物燃料电池电极的制备方法，其特征在于：
步骤(1)所述的浸泡的时间为30分钟；
步骤(1)中所述的超声的条件为100Hz超声6h；
步骤(2)中所述的超声的条件为50℃、100Hz超声6h；
步骤(3)中所述的浸泡的时间为6h；
步骤(3)中所述的真空干燥的条件为100℃真空干燥12h；
步骤(4)中所述的干燥的条件为4℃干燥；
步骤(4)中所述的酶为葡萄糖氧化酶或辣根过氧化物酶；
当所述的酶生物燃料电池电极为阳极时，所述的酶为葡萄糖氧化酶；
当所述的酶生物燃料电池电极为阴极时，所述的酶为辣根过氧化物酶；
步骤(6)中所述的固化的时间为8h。
4.一种酶生物燃料电池电极，通过权利要求1所述的制备方法制备得到。
5.权利要求4所述的酶生物燃料电池电极在制备酶生物燃料电池或生物传感器中的应用。
6.一种双室酶生物燃料电池，其特征在于：以权利要求4所述的酶生物燃料电池电极为阳极和阴极。
7.权利要求6所述的双室酶生物燃料电池的制备方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)按照上述酶生物燃料电池电极的制备方法制备酶生物电极，其中用葡萄糖氧化酶制备得到的酶生物燃料电池电极为阳极，用辣根过氧化物酶制备得到的酶生物燃料电池电极为阴极；
(2)阳极室的溶液为pH7.0、0.2mol/L的PBS缓冲溶液，其中含0.2mM二茂铁和150mM葡萄糖；
(3)阴极室的溶液为pH7.0、0.2mol/L的PBS缓冲溶液，其中含100mM过氧化物；
(4)将质子半透膜在双氧水中预处理后，将阳极室和阴极室隔开，得到双室酶生物燃料电池。
8.根据权利要求7所述双室酶生物燃料电池的制备方法，其特征在于：
步骤(3)中所述的过氧化物为过氧化氢或过氧化叔丁醇；
步骤(4)中所述的预处理的具体步骤为将质子半透膜置于质量百分比30％的双氧水中沸腾10min，取出在蒸馏水中煮沸15min，然后在1:1硫酸中在80℃煮30min，取出在蒸馏水中煮沸15min，然后放入蒸馏水中保存。
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