CN103326037A - 一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用 - Google Patents

一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用 Download PDF

Info

Publication number
CN103326037A
CN103326037A CN2013102711272A CN201310271127A CN103326037A CN 103326037 A CN103326037 A CN 103326037A CN 2013102711272 A CN2013102711272 A CN 2013102711272A CN 201310271127 A CN201310271127 A CN 201310271127A CN 103326037 A CN103326037 A CN 103326037A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon nano
enzyme
tube
hot
lan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2013102711272A
Other languages
English (en)
Inventor
朴金花
张秀花
吕稳
姜建国
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN2013102711272A priority Critical patent/CN103326037A/zh
Publication of CN103326037A publication Critical patent/CN103326037A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开了一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用。该酶生物燃料电池阴极是以碳纸为电极基板、以酶为催化剂和以碳纳米管/辛巴蓝复合材料为酶载体的酶生物燃料电池阴极；其中碳纳米管/辛巴蓝复合材料是指经辛巴蓝改性的碳纳米管。本发明的酶生物燃料电池阴极拥有丰富的表面活性基团，为酶的负载提供了丰富的结合位点，具有良好的导电性能；并且该酶生物燃料电池阴极制备的酶生物燃料电池电极，可大大提高酶生物燃料电池的功率密度。

Description

一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于酶生物燃料电池技术领域，具体涉及一种酶生物燃料电池阴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，将燃料的化学能直接转化为电能的一类电池。它按工作方式可以分为酶燃料电池和微生物燃料电池。微生物燃料电池中使用的生物催化剂实际上不是微生物细胞，而是其中的酶，其本质也是利用微生物中的酶来工作的。与酶生物燃料电池相比，微生物电池的工作效率低，主要是由于副反应较多，导致其与电极之间的电子转移相对困难，同时，反应过程相对复杂，难以控制。因此，酶生物燃料电池是目前研究的主要方向。
目前酶生物燃料电池存在着电池输出功率比较低、使用寿命短等问题。导致这两方面问题的原因主要来自两个方面：一是作为催化剂的酶的外表面包裹着一层蛋白质层，不导电的蛋白质外层影响了燃料在酶的活性位置反应后产生的电子的向外传导速率，从而影响了电池的功率密度；二是酶的固定方式影响了电池的性能和电池的寿命，酶的吸附量小、吸附不稳定以及电子转移率低都是影响酶生物燃料电池性能的原因。但随着生物、电化学、材料学和环境工程系等学科交叉研究的深入，特别是生物传感器和生物电化学研究的快速发展，以及对电极材料、纳米材料科学等研究的层层深入，生物燃料电池的研究必然会得到更快的发展，并将有望成为一种电子装置在疾病的诊断和治疗、航空航天等领域得到广泛应用，除此之外，生物燃料电池也将在环境治理方面具有诱人的前景。
碳纳米管，英文名称carbon nanotube，简称为CNT，是一种由石墨原子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物，其直径一般在一到几十个纳米之间，长度则远大于其直径。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电极中，可以很好的改善电极的性能，碳纳米管的管状结构可以增大其对酶的吸附量，增加酶的吸附稳定性，碳纳米管的良好的导电性可以提高电子的传导速率，从而达到提高酶生物燃料电池和生物燃料电池功能功率密度的目的。到目前为止，碳纳米管已经被很多研究人员应用于生物燃料电池和生物传感器电极的制备上，Pratixa P.Joshi（Anal.Chem.2005,77,3183-3188）等人制备的聚合物-碳纳米管-酶复合电极生物传感器，应用碳纳米管使电极反应的氧化还原电流增加2～10倍。
虽然碳纳米管会提高酶电极的性能，但是碳纳米管的应用存在一些问题：一是碳纳米管憎水性的表面使它在水中分散性很差，很容易发生团聚；二是碳纳米管的化学结合位点较少，这些问题都会影响碳纳米管的应用。因此，对碳纳米管的改性是非常必要的。目前对碳纳米管的改性方法包括引入新的化学基团，如-NH2，-COOH，-OH等；或是与其他材料复合，如壳聚糖、金纳米、石墨烯、金属氧化物、Nafion、DNA等，从而增大其分散性及化学活性，改善其性能。相关的研究文献包括：Jin Young Lee等（Journal of Power Sources,2010,195:750-755）用DNA包裹碳纳米管修饰葡萄糖氧化酶生物阳极和漆酶生物阴极，制备的酶生物燃料电池的功率密度得到了极大的提高。
辛巴蓝F3GA是一种三嗪染料，三嗪染料的生色团与许多蛋白质存在一定的亲和作用，可用作基团专一亲和配体而广泛用于蛋白质的吸收纯化，如脱氢酶、脂肪酶、牛血清蛋白、溶菌酶、过氧化氢酶、葡萄糖氧化酶和木瓜蛋白酶等。辛巴蓝的英文名称为Cibacron Blue，简称为CB。辛巴蓝分子上活性三聚氯氰官能团中的氯原子能与羟基、氨基等基团进行亲核取代反应从而得到固定，用这种方法，许多物质成功的与辛巴蓝结合，如壳聚糖、纤维素、TiO2纳米粒子和聚乙烯等。但使用辛巴蓝修饰碳纳米管的研究尚未报道。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种酶生物燃料电池阴极，该酶生物燃料电池阴极拥有丰富的表面活性基团，为酶的负载提供了丰富的结合位点，具有良好的导电性能。
本发明的另一目的在于提供上述酶生物燃料电池阴极的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述酶生物燃料电池阴极的应用，该酶生物燃料电池阴极制备的酶生物燃料电池电极，可大大提高酶生物燃料电池的功率密度。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种酶生物燃料电池阴极，是以碳纸为电极基板、以酶为催化剂和以碳纳米管/辛巴蓝复合材料为酶载体的酶生物燃料电池阴极；其中碳纳米管/辛巴蓝复合材料是指经辛巴蓝改性的碳纳米管。
优选的，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为20～30nm，长度为0.5～2μm。
优选的，所述酶为辣根过氧化酶，其对应的催化底物为过氧化物。
更优选的，所述催化底物为双氧水。
所述酶生物燃料电池阴极的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳纳米管放入丙酮溶液中浸泡，过滤、并用水清洗；然后将清洗过的碳纳米管置于浓H2SO4/浓HNO3混酸溶液中超声反应6～8h，过滤、并用水清洗后，真空干燥，得到处理过的碳纳米管；
（2）将步骤（1）获得的处理过的碳纳米管置于1～5mmol/L的辛巴蓝水溶液中进行一次超声；超声5～8h后在搅拌的条件下加入NaCl反应1～1.5h，然后再加入Na2CO3反应6～10h，得到混合液；其中处理过的碳纳米管、NaCl和Na2CO3的质量比=（2～5）：（800～1200）：（80～120）；
将混合液经离心、透析后，于70～90℃真空干燥并研磨，得到多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料；再用水将多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料配制成2～5mg/mL的分散液并进行再超声2～4h；
（3）将碳纸放入丙酮溶液中浸泡，取出后用水清洗，然后真空干燥，得到碳纸A；
（4）将步骤（2）获得的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液滴加到碳纸A表面，然后干燥，得到碳纸B；
（5）将步骤（4）中获得的碳纸B浸入到浓度为3～8mg/mL的辣根过氧化酶水溶液中，在2～6℃放置10～12h，得到电极，然后将该电极用0.2mol/L pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液洗涤，得到所述酶生物燃料电池阴极。
优选的，步骤（1）所述的浓H2SO4/浓HNO3混酸溶液体积比为3:1。
在步骤（1）和步骤（2）中超声的目的是为了更好的分散碳纳米管，超声频率对本发明并无影响；步骤（2）中的搅拌是为了使NaCl充分反应，本领域常规的搅拌方式即可，不需限定搅拌速度。
优选的，步骤（1）中所述的浸泡时间为30min；
步骤（1）中所述的超声的条件是30℃、100Hz；
步骤（2）中所述的一次超声和再超声的条件为40℃、100Hz；
步骤（3）中所述的浸泡时间为30min；
步骤（3）中所述的真空干燥条件为100℃真空干燥12h；
步骤（4）中所述的干燥条件为室温干燥。
优选的，步骤（2）中所述的辛巴蓝水溶液浓度为1mmol/L；
步骤（2）中加入NaCl的反应温度为60～80℃；加入的Na2CO3的反应温度为80～90℃；
步骤（2）中配制的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液浓度为4mg/mL；
步骤（5）中所述的辣根过氧化酶水溶液的浓度为5mg/mL；步骤（5）中所述的放置的条件为4℃放置12h。
上述酶生物燃料电池阴极应用于酶生物燃料电池或生物传感器的制备，所述酶生物燃料电池以酶生物燃料电池阴极为阴极、过氧化物和葡萄糖为燃料、碳纳米管负载的葡萄糖氧化酶为阳极。
上述酶生物燃料电池的制备方法包含如下步骤：
（1）将3～8mg葡萄糖氧化酶、3～8mg碳纳米管、0.3～1mL质量百分数为5%的Nafion溶液和0.1～1mL乙醇，混合并超声，得到混合液，再将混合液涂覆在碳纸表面，干燥后将银丝接在碳纸上，得到阳极；
（2）阳极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含0.2mmol/L二茂铁和150mmol/L葡萄糖；
（3）以上述酶生物燃料电池阴极为阴极，阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含有0.2mol/L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，得到酶生物燃料电池；
其中步骤（4）中所述的预处理步骤为：将质子半透膜置于质量百分比30%的双氧水中沸腾10min，取出后在蒸馏水中煮沸15min，然后在体积比为1:1硫酸和水的混合液中在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。
优选的，步骤（1）中的葡萄糖氧化酶量为5mg、碳纳米管的量为4mg、质量百分数为5%的Nafion溶液的量为0.5mL、乙醇的量为0.5mL；碳纸大小为3cm×4cm；步骤(3)中所述的过氧化物为过氧化氢或过氧化叔丁醇。
本发明的原理在于：由于经混酸处理后的碳纳米管含有丰富的羟基和羧基亲核基团，这为碳纳米管与辛巴蓝的反应提供了可能。同时，由于碳纳米管拥有柱状的石墨结构，有很高的疏水面，这种独特的结构使其可以通过π-π键和疏水作用与一些芳香族化合物反应。因此，辛巴蓝与碳纳米管通过非共价结合也可以形成一种稳定的产物，并用于酶的固定和电极制备。而影响酶生物阴极性能的因素主要有两个：一是酶的负载量和稳定性，二是酶活性中心与电极之间的电子传递。因此，本发明制备的碳纳米管/辛巴蓝复合材料拥有丰富的表面活性基团，为酶的负载提供了丰富的结合位点；并且由于碳纳米管的存在，使得碳纳米管/辛巴蓝复合材料具有良好的导电性能，从而使得酶生物燃料电池阴极具有良好的导电性能。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明采用对蛋白具有特异性结合作用的辛巴蓝作为碳纳米管的改性材料，所获得的碳纳米管/辛巴蓝复合材料成功解决了碳纳米管在水溶液中分散性不好的问题；并且碳纳米管/辛巴蓝复合材料拥有丰富的表面活性基团，为酶的负载提供了丰富的结合位点。
（2）本发明提供的碳纳米管/辛巴蓝复合材料具有无毒无害、生物兼容性好、生态环保以及便宜易得等优点。
（3）本发明提供的酶生物燃料电池阴极具有良好的导电性能，并且能大大提高酶生物燃料电池的功率密度，其制备方法简单有效、操作简便。
（4）本发明提供的酶生物燃料电池阴极应用广泛，既可用于酶生物燃料电池的生物电极的制备，也可用于生物传感器中的电极制备。
附图说明
图1为改性前的碳纳米管在水中分散的SEM图；
图2为碳纳米管/辛巴蓝复合材料在水中分散的SEM图；
图3为改性前的碳纳米管和碳纳米管/辛巴蓝复合材料在0.2mol/L PBS磷酸盐缓冲溶液中导电性能测试图；
图4为实施例1与实施例3制备的酶生物燃料电池的功率密度对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和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。
附图1为改性前的碳纳米管在水中分散的SEM图；附图2为本发明碳纳米管/辛巴蓝复合材料在水中分散的SEM图。从图1中可看到，碳纳米管相互团聚，分布很不均匀，而图2中显示的膜整体分布很均匀。这主要是因为辛巴蓝有良好的水溶性，碳纳米管经辛巴蓝修饰后，水溶性大大提高，因此在玻碳电极表面展现出良好的分散效果。
附图3为改性前的碳纳米管和碳纳米管/辛巴蓝复合材料在0.2mol/L PBS磷酸盐缓冲溶液中的导电性能测试图。由图可以看出，经辛巴蓝修饰后，电极的基础电流得到提升，MWCNTs/CB（碳纳米管/辛巴蓝复合材料）修饰电极有一对明显的氧化还原峰。这是由于CB修饰的碳纳米管在电极上分散的更均匀，因此碳纳米管/辛巴蓝复合材料具有良好的导电性能。
除非特别说明，本发明中所述的所有原料和试剂均为市购常规原料、试剂。以下实施例1～6中的碳纸为上海河森电气有限公司生产的碳纸，其规格为21*20cm，厚度0.20mm；碳纳米管为成都有机化学有限公司生产的多壁碳纳米管，其直径为20～30nm，长度为0.5～2μm；辣根过氧化酶为Roche公司生产的产品；葡萄糖氧化酶为sigma公司生产的产品。
实施例1
I、酶生物燃料电池生物阳极CNT/CB/HRP的制备：
（1）取10mg碳纳米管，放入丙酮中浸泡30分钟，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浓H2SO4/浓HNO3（体积比为3:1）混酸溶液中30℃、100Hz超声6h，过滤，用蒸馏水清洗干净，于100℃真空干燥箱干燥4h，得到处理过的碳纳米管；
（2）取4mg步骤（1）处理过的碳纳米管加入到含1mmol／L辛巴蓝水溶液中，40℃、100Hz超声6h后，不断搅拌溶液，加入1g NaCl，在60℃反应1h，然后加入0.1g Na2CO3，在80℃反应8h，得到混合物；将混合物离心、透析，除去没有固定的辛巴蓝，然后再真空干燥箱中80℃干燥，研磨，得到多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料，将该复合材料用蒸馏水配成浓度为4mg/mL的分散液，40℃、100Hz超声2h；
（3）取尺寸为1cm×1cm的碳纸，放入丙酮溶液中浸泡30min，然后在蒸馏水中清洗，在真空烘箱中100℃真空干燥12h，得到碳纸A；
（4）将1mL步骤（2）制备的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液均匀滴加到碳纸A表面，室温下干燥，得到碳纸B；
（5）将辣根过氧化酶（HRP）配制成5mg/mL的水溶液，将碳纸B浸入到该溶液中，4℃保持10h；然后将该电极用0.2mol/L PBS磷酸盐缓冲溶液洗涤以除去固定不牢固的酶，得到碳纳米管/辛巴蓝修饰的酶生物阴极。
II、阳极制作方法及电池组装测试：组装的酶生物燃料电池的阳极的制备方法均相同，具体步骤如下：
（1）取5mg葡萄糖氧化酶、4mg碳纳米管、0.5mL质量百分比5%的Nafion溶液和0.5mL乙醇混合，40℃、100Hz超声2h，将该溶液均匀的涂在3cm×4cm的碳纸表面，干燥，将银丝接在碳纸上，得到阳极；阳极室溶液为pH=7.0、0.2mol/L的PBS磷酸盐缓冲溶液（配法：0.2mol/LNa2HPO4:0.2mol/L NaH2PO4=3:2（v/v），其中含0.2mmol/L二茂铁和150mmol/L葡萄糖，溶液配制后至少放置一天，使葡萄糖的旋光度稳定）；
（2）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，然后在体积比为1:1硫酸和水的混合溶液中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；
（3）阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含有0.2mol/L双氧水；
（4）组装酶生物燃料电池：
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。
电池功率密度：P=UI/S，mW/m2。其中，U为电压，V；I为电流，mA；S为碳纸面积，m2。电压、电流在新威电池性能测试系统CT-3008W上进行检测。检测得到本实施例的酶生物燃料电池最大功率密度为70μW/cm2。
实施例2
I、酶生物燃料电池生物阴极CNT/CB/HRP的制备：
酶生物燃料电池生物阴极CNT/CB/HRP的制备方法同实施例1。
II、阳极制作方法及电池组装测试：
阳极及阳极室溶液同实施例1；
阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含有0.2mol/L过氧化叔丁醇；
电池组装方法同实施例1。
检测得到本实施例得到的酶生物燃料电池最大功率密度为58μW/cm2。
实施例3
I、酶生物燃料电池生阴极CNT/HRP的制备：
（1）取10mg碳纳米管，放入丙酮中浸泡30分钟，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浓H2SO4/浓HNO3（体积比为3:1）混酸溶液中30℃、100Hz超声6h，过滤，用蒸馏水清洗干净，于100℃真空干燥箱干燥4h，得到处理过的碳纳米管；
（2）取4mg步骤（1）处理过的碳纳米管加入到水溶液中，40℃、100Hz超声6h后，不断搅拌溶液，加入1g NaCl，在60℃反应1h，然后加入0.1g Na2CO3，在80℃反应8h，得到混合物；将反应好的混合物离心，然后再真空干燥箱中80℃干燥，研磨，得到多壁碳纳米管材料，将该材料用蒸馏水配成浓度为4mg/mL的分散液，40℃、100Hz超声2h；
（3）取尺寸为1cm×1cm的碳纸，放入丙酮溶液中浸泡30min，然后在蒸馏水中清洗，在真空烘箱中100℃真空干燥12h；
（4）将1mL步骤（2）制备的多壁碳纳米管分散液均匀滴加到步骤（3）清洗过的碳纸表面，室温下干燥；
（5）将辣根过氧化酶（HRP）配置成7mg/mL的水溶液，将上述制好的碳纸浸入到该溶液中，4℃保持10h；然后将该电极用0.2mol/L PBS磷酸盐溶液洗涤以除去固定不牢固的酶，得到碳纳米管酶生物阴极。
II、阳极制作方法及电池组装测试：
阳极及阳极室溶液同实施例1；
阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含有0.2mol/L过氧化叔丁醇。
检测得到实施例3得到的酶生物燃料电池最大功率密度为17μW/cm2。
实施例1和实施例3制备的酶生物燃料电池性能测试如附图4所示，其中，
Figure BDA00003430240200101
代表实施例1中阴极加入CB所制备的酶生物燃料电池在空气饱和状态下测得的循环伏安曲线，
Figure BDA00003430240200102
代表实施例3阴极未加入CB所制备的酶生物燃料电池在空气饱和状态下测得的循环伏安曲线。
通过图4可以看到加入CB的酶生物燃料电池的功率密度远大于未加入CB的功率密度。因此可以得出结论：碳纳米管/CB复合材料制备的酶生物燃料电池电极，可大大提高酶生物燃料电池的功率密度。
本发明中加入NaCl、Na2CO3的目的是为了提供一个碱性环境，利于CB和CNTs的反应。实施例3中加入NaCl、Na2CO3的目的主要是为了与实施例1对比，突出CB对CNTs的修饰作用。
实施例4
I、酶生物燃料电池生物阳极CNT/CB/HRP的制备：
（1）取10mg碳纳米管，放入丙酮中浸泡30分钟，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浓H2SO4/浓HNO3（体积比为3:1）混酸溶液中30℃、100Hz超声6h，过滤，用蒸馏水清洗干净，于100℃真空干燥箱干燥4h，得到处理过的碳纳米管；
（2）取2mg步骤（1）处理过的碳纳米管加入到含1mmol／L辛巴蓝水溶液中，40℃、100Hz超声5h后，不断搅拌溶液，加入0.8g NaCl，在60℃反应1h，然后加入0.1g Na2CO3，在80℃反应6h，得到混合物；将反应好的混合物离心、透析，除去没有固定的辛巴蓝，然后再真空干燥箱中80℃干燥，研磨，得到多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料，将该复合材料用蒸馏水配成浓度为2mg/mL的分散液，40℃、100Hz超声2h；
（3）取尺寸为1cm×1cm的碳纸，放入丙酮溶液中浸泡30min，然后在蒸馏水中清洗，在真空烘箱中100℃真空干燥12h，得到碳纸A；
（4）将1mL步骤（2）制备的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液均匀滴加到碳纸A表面，室温下干燥，得到碳纸B；
（5）将辣根过氧化酶（HRP）配制成3mg/mL的水溶液，将碳纸B浸入到该溶液中，4℃保持12h；然后将该电极用0.2mol/L PBS磷酸盐溶液洗涤以除去固定不牢固的酶，得到碳纳米管/辛巴蓝修饰的酶生物阴极。
II、阳极制作方法及电池组装测试：
阳极及阳极室溶液同实施例1；
阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含有0.2mol/L过氧化叔丁醇。
电池组装方法同实施例1。
检测得到本实施例得到的酶生物燃料电池最大功率密度为40μW/cm2。
实施例5
I、酶生物燃料电池生物阳极CNT/CB/HRP的制备：
（1）取10mg碳纳米管，放入丙酮中浸泡30分钟，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浓H2SO4/浓HNO3（体积比为3:1）混酸溶液中30℃、100Hz超声7h，过滤，用蒸馏水清洗干净，于100℃真空干燥箱干燥4h，得到处理过的碳纳米管；
（2）取3mg步骤（1）处理过的碳纳米管加入到含3mmol／L辛巴蓝水溶液中，40℃、100Hz超声7h后，不断搅拌溶液，加入1.2g NaCl，在70℃反应1h，然后加入0.08g Na2CO3，在80℃反应7h，得到混合物；将反应好的混合物离心、透析，除去没有固定的辛巴蓝，然后再真空干燥箱中80℃干燥，研磨，得到多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料，将该复合材料用蒸馏水配成浓度为3mg/mL的分散液，40℃、100Hz超声3h；
（3）取尺寸为1cm×1cm的碳纸，放入丙酮溶液中浸泡30min，然后在蒸馏水中清洗，在真空烘箱中100℃真空干燥12h，得到碳纸A；
（4）将1mL步骤（2）制备的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液均匀滴加到碳纸A表面，室温下干燥，得到碳纸B；
（5）将辣根过氧化酶（HRP）配制成4mg/mL的水溶液，将碳纸B浸入到该溶液中，6℃保持11h；然后将该电极用0.2mol/L PBS磷酸盐溶液洗涤以除去固定不牢固的酶，得到碳纳米管/辛巴蓝修饰的酶生物阴极。
II、阳极制作方法及电池组装测试：
阳极及阳极室溶液同实施例1；
阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含有0.2mol/L过氧化叔丁醇。电池组装方法同实施例1。
检测得到本实施例得到的酶生物燃料电池最大功率密度为45μW/cm2。
实施例6
I、酶生物燃料电池生物阳极CNT/CB/HRP的制备：
（1）取10mg碳纳米管，放入丙酮中浸泡30分钟，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浓H2SO4/浓HNO3（体积比为3:1）混酸溶液中30℃、100Hz超声6h，过滤，用蒸馏水清洗干净，于100℃真空干燥箱干燥4h，得到处理过的碳纳米管；
（2）取5mg步骤（1）处理过的碳纳米管加入到含5mmol／L辛巴蓝水溶液中，40℃、100Hz超声6h后，不断搅拌溶液，加入1.1g NaCl，在60℃反应1h，然后加入0.12g Na2CO3，在80℃反应10h，得到混合物；将反应好的混合物离心、透析，除去没有固定的辛巴蓝，然后再真空干燥箱中80℃干燥，研磨，得到多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料，将该复合材料用蒸馏水配成浓度为5mg/mL的分散液，40℃、100Hz超声3h；
（3）取尺寸为1cm×1cm的碳纸，放入丙酮溶液中浸泡30min，然后在蒸馏水中清洗，在真空烘箱中100℃真空干燥12h，得到碳纸A；
（4）将1mL步骤（2）制备的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液均匀滴加到碳纸A表面，室温下干燥，得到碳纸B；
（5）将辣根过氧化酶（HRP）配制成8mg/mL的水溶液，将碳纸B浸入到该溶液中，4℃保持10h；然后将该电极用0.2mol/L PBS磷酸盐溶液洗涤以除去固定不牢固的酶，得到碳纳米管/辛巴蓝修饰的酶生物阴极。
II、阳极制作方法及电池组装测试：
阳极及阳极室溶液同实施例1；
阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液，其中含有0.2mol/L过氧化叔丁醇。电池组装方法同实施例1。
检测得到本实施例得到的酶生物燃料电池最大功率密度为51μW/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)

1.一种酶生物燃料电池阴极，其特征在于，所述酶生物燃料电池阴极是以碳纸为电极基板、以酶为催化剂和以碳纳米管/辛巴蓝复合材料为酶载体的酶生物燃料电池阴极；其中碳纳米管/辛巴蓝复合材料是指经辛巴蓝改性的碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的酶生物燃料电池阴极，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为20～30nm，长度为0.5～2μm。
3.根据权利要求1所述的酶生物燃料电池阴极，其特征在于，所述酶为辣根过氧化酶，其对应的催化底物为过氧化物。
4.如权利要求1至3任一项所述的酶生物燃料电池阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将碳纳米管放入丙酮溶液中浸泡，过滤、并用水清洗；然后将清洗过的碳纳米管置于浓H2SO4/浓HNO3混酸溶液中超声反应6～8h，过滤、并用水清洗后，真空干燥，得到处理过的碳纳米管；
（2）将步骤（1）获得的处理过的碳纳米管置于1～5mmol/L的辛巴蓝水溶液中进行一次超声；超声5～8h后在搅拌的条件下加入NaCl反应1～1.5h，然后再加入Na2CO3反应6～10h，得到混合液；其中处理过的碳纳米管、NaCl和Na2CO3的质量比=（2～5）：（800～1200）：（80～120）；
将混合液经离心、透析后，于70～90℃真空干燥并研磨，得到多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料；再用水将多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料配制成2～5mg/mL的分散液并进行再超声2～4h；
（3）将碳纸放入丙酮溶液中浸泡，取出后用水清洗，然后真空干燥，得到碳纸A；
（4）将步骤（2）获得的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液滴加到碳纸A表面，然后干燥，得到碳纸B；
（5）将步骤（4）中获得的碳纸B浸入到浓度为3～8mg/mL的辣根过氧化酶水溶液中，在2～6℃放置10～12h，得到电极，然后将该电极用0.2mol/L pH=7.0的PBS磷酸盐缓冲溶液洗涤，得到所述酶生物燃料电池阴极。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的浓H2SO4/浓HNO3混酸溶液体积比为3:1。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的浸泡时间为30min；
步骤（1）中所述的超声的条件是30°C、100Hz；
步骤（2）中所述的一次超声和再超声的条件为40℃、100Hz；
步骤（3）中所述的浸泡时间为30min；
步骤（3）中所述的真空干燥条件为100℃真空干燥12h；
步骤（4）中所述的干燥条件为室温干燥。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的辛巴蓝水溶液浓度为1mmol/L；
步骤（2）中加入NaCl的反应温度为60～80℃；加入的Na2CO3的反应温度为80～90℃；
步骤（2）中配制的多壁碳纳米管/辛巴蓝复合材料分散液浓度为4mg/mL；
步骤（5）中所述的辣根过氧化酶水溶液的浓度为5mg/mL；
步骤（5）中所述的放置的条件为4℃放置12h。
8.权利要求1至3任一项所述的酶生物燃料电池阴极应用于酶生物燃料电池或生物传感器的制备，所述酶生物燃料电池以酶生物燃料电池阴极为阴极、过氧化物和葡萄糖为燃料、碳纳米管负载的葡萄糖氧化酶为阳极。
9.根据权利要求8所述的酶生物燃料电池阴极的应用，其特征在于，所述酶生物燃料电池的制备方法包含如下步骤：
（1）将3～8mg葡萄糖氧化酶、3～8mg碳纳米管、0.3～1mL质量百分数为5%的Nafion溶液和0.1～1mL乙醇混合并超声，得到混合液，再将混合液涂覆在碳纸表面，干燥后将银丝接在碳纸上，得到阳极；
（2）阳极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS缓冲溶液，其中含0.2mmol/L二茂铁和150mmol/L葡萄糖；
（3）以上述酶生物燃料电池阴极为阴极，阴极室溶液为0.2mol/L、pH=7.0的PBS缓冲溶液，其中含有0.2mol/L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，得到酶生物燃料电池；
其中步骤（4）中所述的预处理步骤为：将质子半透膜置于质量百分比30%的双氧水中沸腾10min，取出后在蒸馏水中煮沸15min，然后在体积比为1:1的硫酸和水混合溶液中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。
10.根据权利要求9所述的酶生物燃料电池阴极的应用，其特征在于，步骤（1）中的葡萄糖氧化酶量为5mg、碳纳米管的量为4mg、质量百分数为5%的Nafion溶液的量为0.5mL、乙醇的量为0.5mL；碳纸大小为3cm×4cm；步骤(3)中所述的过氧化物为过氧化氢或过氧化叔丁醇。
CN2013102711272A 2013-06-28 2013-06-28 一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用 Pending CN103326037A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2013102711272A CN103326037A (zh) 2013-06-28 2013-06-28 一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2013102711272A CN103326037A (zh) 2013-06-28 2013-06-28 一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103326037A true CN103326037A (zh) 2013-09-25

Family

ID=49194664

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2013102711272A Pending CN103326037A (zh) 2013-06-28 2013-06-28 一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103326037A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105914379A (zh) * 2016-06-06 2016-08-31 华南理工大学 一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备与应用
CN107768692A (zh) * 2017-08-31 2018-03-06 华南师范大学 一款聚多巴胺包覆碳纳米管增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池
CN108550882A (zh) * 2018-04-02 2018-09-18 南京工业大学 一种利用酵母产海藻糖制备生物燃料电池的方法
CN111326743A (zh) * 2019-12-09 2020-06-23 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 源于竹子的多孔碳作为电极材料用于葡萄糖生物传感和葡萄糖生物燃料电池的应用
CN113764712A (zh) * 2021-09-09 2021-12-07 南京大学 前驱体溶液、多孔抗污界面、电池电极、电池及制备方法
CN114122437A (zh) * 2021-11-13 2022-03-01 复旦大学 可植入大脑的柔性纤维生物燃料电池及其制备方法和应用
CN116657282A (zh) * 2023-06-25 2023-08-29 之江实验室 一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103066305A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 华南理工大学 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
CN103066304A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 华南理工大学 一种酶生物燃料电池阳极及其制备方法与应用

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103066305A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 华南理工大学 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
CN103066304A (zh) * 2012-12-20 2013-04-24 华南理工大学 一种酶生物燃料电池阳极及其制备方法与应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吕稳: "基于碳纳米管构建生物燃料电池酶修饰电极的研究", 《中国知网硕士数据库》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105914379A (zh) * 2016-06-06 2016-08-31 华南理工大学 一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备与应用
CN105914379B (zh) * 2016-06-06 2018-06-22 华南理工大学 一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备与应用
CN107768692A (zh) * 2017-08-31 2018-03-06 华南师范大学 一款聚多巴胺包覆碳纳米管增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池
CN107768692B (zh) * 2017-08-31 2020-02-14 华南师范大学 一款聚多巴胺包覆碳纳米管增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池
CN108550882A (zh) * 2018-04-02 2018-09-18 南京工业大学 一种利用酵母产海藻糖制备生物燃料电池的方法
CN111326743A (zh) * 2019-12-09 2020-06-23 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 源于竹子的多孔碳作为电极材料用于葡萄糖生物传感和葡萄糖生物燃料电池的应用
CN113764712A (zh) * 2021-09-09 2021-12-07 南京大学 前驱体溶液、多孔抗污界面、电池电极、电池及制备方法
CN114122437A (zh) * 2021-11-13 2022-03-01 复旦大学 可植入大脑的柔性纤维生物燃料电池及其制备方法和应用
CN114122437B (zh) * 2021-11-13 2023-10-03 复旦大学 可植入大脑的柔性纤维生物燃料电池及其制备方法和应用
CN116657282A (zh) * 2023-06-25 2023-08-29 之江实验室 一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管纤维的制作方法
CN116657282B (zh) * 2023-06-25 2023-11-28 之江实验室 一种葡萄糖驱动的自供电碳纳米管人工肌肉装置的制作方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103326037A (zh) 一种酶生物燃料电池阴极及其制备方法与应用
Deng et al. Alfalfa leaf-derived porous heteroatom-doped carbon materials as efficient cathodic catalysts in microbial fuel cells
CN103066304B (zh) 一种酶生物燃料电池阳极及其制备方法与应用
Minteer et al. New materials for biological fuel cells
Xie et al. Three-dimensional carbon nanotube− textile anode for high-performance microbial fuel cells
CN103367766B (zh) 微生物燃料电池用石墨烯/导电聚合物阳极的制备方法
Zhang et al. Single-walled carbon nanohorns for energy applications
Wen et al. A single-walled carbon nanohorn-based miniature glucose/air biofuel cell for harvesting energy from soft drinks
Li et al. Spraying carbon powder derived from mango wood biomass as high-performance anode in bio-electrochemical system
Devadas et al. A glucose/O2 biofuel cell based on graphene and multiwalled carbon nanotube composite modified electrode
Liu et al. High-performance bioanode based on the composite of CNTs-immobilized mediator and silk film-immobilized glucose oxidase for glucose/O2 biofuel cells
Wu et al. Methanol/oxygen enzymatic biofuel cell using laccase and NAD+-dependent dehydrogenase cascades as biocatalysts on carbon nanodots electrodes
CN103066305B (zh) 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
Savla et al. Utilization of nanomaterials as anode modifiers for improving microbial fuel cells performance
Scott et al. Biological and microbial fuel cells
ul Haque et al. Carbon based-nanomaterials used in biofuel cells–A review
CN101573816A (zh) 生物阳极和生物阴极堆叠组件
CN105336964B (zh) 一种氮掺杂碳纳米管/氮化碳复合材料的制备方法及应用
CN101354374B (zh) 层层自组装制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极的方法
CN106784873B (zh) 一种氮化碳/碳纳米复合材料及其制备方法和应用
Yu et al. Recoverable hybrid enzymatic biofuel cell with molecular oxygen-independence
De Poulpiquet et al. Exploring Properties of a Hyperthermophilic Membrane‐Bound Hydrogenase at Carbon Nanotube Modified Electrodes for a Powerful H2/O2 Biofuel Cell
Sun et al. Electrospinning iron-doped carbon fiber to simultaneously boost both mediating and direct biocatalysis for high-performance microbial fuel cell
CN103474674A (zh) 一种钯与石墨烯结构碳材料复合电极催化剂的复合方法
Dudzik et al. Cross-linked glucose oxidase clusters for biofuel cell anode catalysts

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20130925