CN103326038B - 一种以硅橡胶为基底的生物阴极的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种以硅橡胶为基底的生物阴极的制备方法，涉及生物燃料电池。提供具有柔韧弯曲性、无毒、良好生物相容性的一种以硅橡胶为基底的生物阴极的制备方法。1)用硝酸对所述碳材料进行超声预处理；2)用硝酸对已处理过的碳材料进行加热处理；3)将步骤2)得到的碳材料与高分子化合物溶液混合，得到浆状电极材料；4)将步骤3)得到的浆状电极材料涂敷在硅橡胶表面，晾干后连接相应的导线，即得以硅橡胶为基底的生物阴极，所得生物阴极为酶型生物阴极。方法简单，操作简便，所需时间较短，电极材料价格低廉，大大降低了酶型生物电极的造价。

Description

一种以硅橡胶为基底的生物阴极的制备方法

技术领域

本发明涉及生物燃料电池，具体涉及一种以硅橡胶为基底的生物阴极的制备方法。

背景技术

酶型生物燃料电池是以酶作为催化剂，将有机物中的化学能直接转化成电能的一种绿色环保装置。在酶型燃料电池中，酶可以与介体一起溶解在溶液中，也可以固定在电极上。后者由于催化效率高、受环境限制小等优点而具有更广泛的用途。

随着社会的发展和医学技术的不断进步，人类的健康也越来越依赖于各种植入式医疗设备。植入式医疗设备分为两类：被动式和主动式。如人造血管、人工关节和整形外科仪器等无需能量供应的是被动式；如心脏起搏器、植入耳蜗、减轻疼痛或骨骼和其他组织再生的神经刺激器、药物释放阀等需要能量供给才能维持正常运作的是主动式的。酶型生物燃料电池中酶的催化效率高，体积小，它可直接利用动植物的体液来产生电能，从而可应用在植入式医疗设备上移入动物或人体内。

动物和人作为活体需要不停的运动。为了使植入体内的电池不影响生物体正常的生命活动，同时，为了使生物体的动作如收缩、扭曲等不影响到电池的正常运作，作为酶型生物燃料电池的重要组成部分，以柔性物质作基底的酶型生物电极的研究就变得尤为重要。MatsuhikoNishizawa等人(MatsuhikoNishizawa.ElectrochimicaActa,2012,82(1):175-178)将碳布分别固定在琼脂水凝胶的两侧，并用碳纳米管对碳布表面进行修饰制得氧气还原生物电极，得到阴极的开路电位为0.60V；PlamenAtanassov等人（PlamenAtanassovElectrochimicaActa,2012,82(1):208-217)利用沃特曼滤纸为基底构建了酶型生物阴极，其开路电位为0.51V。以上研究所采用的碳布和沃特曼滤纸的生物相容性和柔韧性都比较差，不适合应用在植入式医疗设备中。

生物燃料电池由于具有能量利用率高、原料广泛、操作条件温和、安全性强等特点而具有广阔的发展前景。但输出功率较低是其主要障碍，目前仍没有达到实用阶段。对于可植入人体的酶型生物燃料电池来说，它的实际应用将面临更多的困难。Heller小组针对微型生物燃料电池作了大量的研究工作，但现在还不能作为植入式医疗设备的电源，因为它的电流弱、寿命短，每天大约会损失6%的能量。另外，人的实际体液比研究时用的模拟体液更加复杂，因此，酶型生物燃料电池在植入式医疗设备中的应用还需进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供具有柔韧弯曲性、无毒、良好生物相容性的一种以硅橡胶为基底的生物阴极的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)用硝酸对所述碳材料进行超声预处理；

2)用硝酸对已处理过的碳材料进行加热处理；

3)将步骤2)得到的碳材料与高分子化合物溶液混合，得到浆状电极材料；

4)将步骤3)得到的浆状电极材料涂敷在硅橡胶表面，晾干后连接相应的导线，即得以硅橡胶为基底的生物阴极，所得生物阴极为酶型生物阴极。

在步骤1)中，所述用硝酸对所述碳材料进行超声预处理的具体方法可为：将碳材料置于硝酸中，超声后，再将溶液加热反应，用去离子水对硝酸处理过的碳材料进行洗涤，直到中性，洗涤完成后的碳材料放入真空干燥箱内干燥；所述硝酸可采用浓度为65%～68%的浓硝酸；所述碳材料可采用单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米粒子、石墨烯等中的至少一种；所述加热的温度可为15～25°C，加热的时间可为25～40min。

在步骤2)中，所述硝酸可采用浓度为65%～68%的浓硝酸；所述加热处理的温度可为100～120°C，加热处理的时间可为5～6h。

在步骤3)中，所述高分子化合物溶液可选自壳聚糖的醋酸溶液或纤维素的离子液体等；所述壳聚糖的醋酸溶液中，壳聚糖的质量含量可为1%～3%；所述纤维素的离子液体中，纤维素的质量含量可为1%～10%，所述离子液体可选自1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐液体、1-甲基-3-丁基咪唑氯化盐液体等中的一种。

在步骤4)中，所述晾干的温度可为15～25°C；所述导线可采用导电银胶和碳纤维等。

制备得到的生物阴极可利用三电极体系对其开路电位和i-t曲线进行电化学测试，对电极的表面形貌进行扫描电镜观察。

本发明将碳材料与高分子化合物混合后得到的电极材料固定在具有生物相容性的硅橡胶表面，制备得到酶型生物阴极，使其具有一定的柔韧弯曲性。另外，用来构建该阴极主要材料的碳材料、高分子化合物和硅橡胶，均无毒且具有良好的生物相容性，为酶型生物燃料电池在人体植入性设备中的应用提供了良好的基础和途径。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用碳材料来实现胆红素氧化酶和电极之间的直接电子传递，实现了胆红素氧化酶的直接电化学。天然高分子化合物溶液的加入提高了阴极的氧化还原速率，同时利用高分子化合物的成膜性，制得的电极不易产生裂痕、不易断裂。硅橡胶做基底使电极具有良好的柔韧弯曲性，同时，硅橡胶良好的生物相容性，为酶型生物燃料电池在人体植入性设备中的应用提供了良好的基础和途径。方法简单，操作简便，所需时间较短，电极材料价格低廉，大大降低了酶型生物电极的造价。

附图说明

图1是酶型生物阴极的结构示意图，其中，1表示硅橡胶，2表示电极，3表示胆红素氧化酶，4表示导电银胶，5表示碳纤维。

图2是酶型生物阴极的开路电位测试图。

图3是酶型生物阴极i-t曲线测试图。

图4是酶型生物阴极连续工作条件下电流相对稳定性测试图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步说明本发明，其目的在于更好地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。

实施例1

第一步：碳纳米管的修饰方法

将5g多壁碳纳米管(内径2～5nm，外径40～50nm)放入装有200ml浓度为65%～68%浓硝酸的圆底烧瓶中，20°C下超声30min。然后接好冷凝装置，将多壁碳纳米管和浓硝酸的混合物加热到100°C，且在100°C条件下反应5h。反应结束后，将多壁碳纳米管和浓硝酸的混合物进行离心处理，并用去离子水进行洗涤，直到中性。最后，将处理后得到的多壁碳纳米管置于真空干燥箱中，40°C温度下干燥24h。

第二步：多壁碳纳米管-壳聚糖复合阴极的制备方法及其表征

壳聚糖的醋酸溶液的配置：将1g壳聚糖加入到100ml稀醋酸中(1%，v/v)，搅拌，至壳聚糖完全溶解，存入4°C冰箱中待用。

称取1.2g步骤一中处理得到的多壁碳纳米管和1.6ml壳聚糖的醋酸溶液于玛瑙研钵中，研磨至混合物成浆状，得到酶型生物电极材料。其中，多壁碳纳米管和壳聚糖的质量比为75:1。

将上述酶型生物电极材料通过一圆形模具涂敷于硅橡胶表面，得到圆形的电极，如图1中的2，其直径为0.45cm。待电极室温下晾干后，在电极尾部接一根碳纤维，如图1中的5，碳纤维上层再注入导电银胶，如图1中的4，以加强导电作用。待导电银胶室温下晾干后，再在导电银胶上面铺一层硫化硅橡胶，置于室温下固化，得到酶型生物阴极。用移液枪将10μl胆红素氧化酶(约0.1mg)滴到电极的表面，并置于4°C条件下固定18h。

用扫面电镜对上述电极表面形貌进行观察。可以看到电极表面多壁碳

纳米管相互交联，呈多孔状。这种结构增加了电极的表面积，有利于酶的固定和气体渗透。

第三步：酶型生物阴极的电化学测试

利用传统三电极体系对电极进行电化学测试，即在室温下采用CHI660D型电化学工作站，以磷酸氢二钠—柠檬酸缓冲液为电解液，其中，磷酸氢二钠和柠檬酸的浓度分别为0.2M和0.1M，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极，以酶型生物阴极为工作电极，对其开路电位和i-t曲线(电压为±0.2V/vsAg/AgCl)进行测试。其中，电化学反应中的氧气来源是通过空气泵向缓冲液中鼓空气得到的。分别在pH为3、4、5、6、7、8的缓冲液中对电极的电化学活性进行测试，可以得到，在pH为5时，电极的电化学性能最好。

如图2，是得到的酶型生物阴极在pH为5的缓冲液中测得的开路电位曲线(vsAg/AgCl))，可以看出开路电位稳定在0.62V以上。

i-t曲线的测试过程如下：将电极浸入缓冲液中，向缓冲液中通高纯氩气，至电流达到稳定值，然后向缓冲液中鼓空气，电流上升最后达到一稳定值。如图3，是在pH为5的缓冲液中测得的i-t曲线，由图3可以看出，鼓入空气后，电流上升速度很快，说明胆红素氧化酶在该电极上催化反应的响应速度很快。电流密度的变化值可达为396.5μΑcm^-2。

图4是酶型生物阴极连续工作条件下电流相对稳定性测试图。可以看出，在第6天，电流密度仍然可以达到最大值的50%，说明该电极有利于保持酶的活性，长期工作稳定性较好。

实施例2

第一步：碳纳米管的修饰方法

同实施例1中的第一步的操作过程。

第二步：多壁碳纳米管-纤维素复合阴极的制备方法及其表征

纤维素的离子液体溶液的配制：超声和加热的条件下使纤维素溶解于离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐)内(纤维素含量5%wt)，备用。

称取1.0g步骤一中处理得到的多壁碳纳米管和200g纤维素的离子液体于玛瑙研钵中，在干燥的环境下研磨至混合物成浆状，得到酶型生物电极材料，密封保存。其中，多壁碳纳米管和纤维素的质量比为1:10。

将上述酶型生物电极材料通过一圆形模具涂敷于硅橡胶表面，得到圆形的电极，然后迅速将电极放入去离子水中洗去电极中的离子液体，再将电极室温下晾干。接下来构建电极的过程及其表征同实施例1中的第二步操作过程。

第三步：酶型生物阴极的电化学测试

同实施例1中的第三步的操作过程。

Claims (1)

1.一种以硅橡胶为基底的生物阴极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)碳纳米管的修饰方法

将5g多壁碳纳米管放入装有200ml浓度为65％～68％浓硝酸的圆底烧瓶中，20℃下超声30min，然后接好冷凝装置，将多壁碳纳米管和浓硝酸的混合物加热到100℃，且在100℃条件下反应5h，反应结束后，将多壁碳纳米管和浓硝酸的混合物进行离心处理，并用去离子水进行洗涤，直到中性，将处理后得到的多壁碳纳米管置于真空干燥箱中，40℃温度下干燥24h；所述多壁碳纳米管的内径为2～5nm，外径为40～50nm；

2)多壁碳纳米管-壳聚糖复合阴极的制备

壳聚糖的醋酸溶液的配制：将1g壳聚糖加入到100ml体积浓度为1％的稀醋酸中，搅拌，至壳聚糖完全溶解，存入4℃冰箱中待用；

称取1.2g步骤1)中处理得到的多壁碳纳米管和1.6ml壳聚糖的醋酸溶液于玛瑙研钵中，研磨至混合物成浆状，得到酶型生物电极材料，其中，多壁碳纳米管和壳聚糖的质量比为75∶1；

将上述酶型生物电极材料通过一圆形模具涂敷于硅橡胶表面，得到圆形的电极，待电极晾干后，在电极尾部接一根碳纤维，碳纤维上层再注入导电银胶，待导电银胶晾干后，再在导电银胶上面铺一层硫化硅橡胶，置于室温下固化，得到酶型生物阴极；用移液枪将10μl胆红素氧化酶滴到电极表面，并置于4℃条件下固定18h，即得以硅橡胶为基底的生物阴极。