CN105161735B - 一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料以及制备方法 - Google Patents

一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料以及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料以及制备方法，其包括由下列重量份的原料：蚕丝蛋白微晶纤维素15‑21、短链醇9‑10、钠基膨润土18‑22、硫酸钠12‑14、聚乙二醇9‑11、羧基化多壁碳纳米管15‑19、包含铜离子的聚离子液体11‑12、纳米锰酸锂4‑6、聚乙烯基咪唑固化剂4‑5、碳二亚胺盐酸盐4‑5、适量的去离子水。本发明结合了纳米纤维的高比表面积和碳纳米管优异的导电性的特点，有效提高了生物燃料电池电极处的氧化还原酶的催化效率。该材料具有制备过程简单，容易从反应体系中回收，提高酶的利用率和储存稳定性的优点，有效的提高了生物燃料电池的效率。

Description

一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电 池电极材料以及制备方法
技术领域
本发明属于生物燃料电池电极材料领域，具体地说是涉及一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料以及制备方法。
背景技术
酶固定化技术能够实现酶半衰期的延长、稳定性的提高、重复利用以及产物和酶的分离，酶固定化技术已经用于各行各业。包括生物燃料电池领域。
生物燃料电池也称为酶燃料电池，是利用由通过酶、微生物而实现的化学反应所产生的电能的电池。生物燃料电池具有阴极电极和阳极电极隔着电解质而相对的结构，在生物燃料电池中的阴极电极和阳极电极中，可以使用酶固定化材料，通过提高通过酶活性实现的电解质的化学反应效率，进而提高生物燃料电池的生产性、电输出功率具有重要意义，但是目前，关于提高固定化酶的酶反应技术研究并不充分。
发明内容
针对生物燃料电池电极用材料发展的需求，本发明提供一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料以及制备方法。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料，包括由下列重量份的原料：蚕丝蛋白微晶纤维素15-21、短链醇9-10、钠基膨润土18-22、硫酸钠12-14、聚乙二醇9-11、羧基化多壁碳纳米管15-19、包含铜离子的聚离子液体11-12、纳米锰酸锂4-6、聚乙烯基咪唑固化剂4-5、碳二亚胺盐酸盐4-5、适量的去离子水。
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蚕丝蛋白微晶纤维素、短链醇、包含铜离子的聚离子液体混合，置于超声仪中采用200W的超声波辅助搅拌处理2-3h,得改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液；
(2)将钠基膨润土、硫酸钠、聚乙二醇以及总重量2-3倍的去离子水混合，置于超声仪中在50-60KHz的超声下搅拌处理2-3h，制得膨润土胶体溶液备用；
(3)将羧基化多壁碳纳米管、纳米锰酸锂以及总重量2-3倍的去离子水混合搅拌2-3h至均匀，并采用低温等离子体辅助处理增大其比表面积得改性多壁碳纳米管备用；
(4)将改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液、膨润土胶体溶液、改性多壁碳纳米管进行混合搅拌均匀，之后加入聚乙烯基咪唑固化剂，并循环通入惰性气体，在25℃下振荡20-24h至固化，之后加入碳二亚胺盐酸盐以及总重量2-4倍的去离子水100℃加热4-6h，过滤，压延制备成片状，180℃烘烤3-4h至干燥即得。
本发明的有益效果：
本发明结合了纳米纤维的高比表面积和碳纳米管优异的导电性的特点，有效提高了生物燃料电池电极处的氧化还原酶的催化效率。该材料具有制备过程简单，容易从反应体系中回收，提高酶的利用率和储存稳定性的优点，有效的提高了生物燃料电池的效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明所述技术方案作进一步的说明。
实施例1：
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料，包括由下列重量份的原料：蚕丝蛋白微晶纤维素15、短链醇9、钠基膨润土20、硫酸钠13、聚乙二醇10、羧基化多壁碳纳米管19、包含铜离子的聚离子液体11、纳米锰酸锂6、聚乙烯基咪唑固化剂4.5、碳二亚胺盐酸盐4.5、适量的去离子水。
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料制备方法，包括以下步骤：
(1)将蚕丝蛋白微晶纤维素、短链醇、包含铜离子的聚离子液体混合，置于超声仪中采用200W的超声波辅助搅拌处理2.5h,得改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液；
(2)将钠基膨润土、硫酸钠、聚乙二醇以及总重量2.5倍的去离子水混合，置于超声仪中在55KHz的超声下搅拌处理2.5h，制得膨润土胶体溶液备用；
(3)将羧基化多壁碳纳米管、纳米锰酸锂以及总重量2.5倍的去离子水混合搅拌2.5h至均匀，并采用低温等离子体辅助处理增大其比表面积得改性多壁碳纳米管备用；
(4)将改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液、膨润土胶体溶液、改性多壁碳纳米管进行混合搅拌均匀，之后加入聚乙烯基咪唑固化剂，并循环通入惰性气体，在25℃下振荡22h至固化，之后加入碳二亚胺盐酸盐以及总重量3倍的去离子水100℃加热5h，过滤，压延制备成片状，180℃烘烤3.5h至干燥即得。
实施例2：
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料，包括由下列重量份的原料：蚕丝蛋白微晶纤维素18、短链醇9.5、钠基膨润土20、硫酸钠13、聚乙二醇10、羧基化多壁碳纳米管17、包含铜离子的聚离子液体11.5、纳米锰酸锂5、聚乙烯基咪唑固化剂4.5、碳二亚胺盐酸盐4.5、适量的去离子水。
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蚕丝蛋白微晶纤维素、短链醇、包含铜离子的聚离子液体混合，置于超声仪中采用200W的超声波辅助搅拌处理2.5h,得改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液；
(2)将钠基膨润土、硫酸钠、聚乙二醇以及总重量2.5倍的去离子水混合，置于超声仪中在55KHz的超声下搅拌处理2.5h，制得膨润土胶体溶液备用；
(3)将羧基化多壁碳纳米管、纳米锰酸锂以及总重量2.5倍的去离子水混合搅拌2.5h至均匀，并采用低温等离子体辅助处理增大其比表面积得改性多壁碳纳米管备用；
(4)将改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液、膨润土胶体溶液、改性多壁碳纳米管进行混合搅拌均匀，之后加入聚乙烯基咪唑固化剂，并循环通入惰性气体，在25℃下振荡22h至固化，之后加入碳二亚胺盐酸盐以及总重量3倍的去离子水100℃加热5h，过滤，压延制备成片状，180℃烘烤3.5h至干燥即得。
实施例3：
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料，包括由下列重量份的原料：蚕丝蛋白微晶纤维素21、短链醇10、钠基膨润土20、硫酸钠13、聚乙二醇10、羧基化多壁碳纳米管15、包含铜离子的聚离子液体12、纳米锰酸锂4、聚乙烯基咪唑固化剂4.5、碳二亚胺盐酸盐4.5、适量的去离子水。
一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蚕丝蛋白微晶纤维素、短链醇、包含铜离子的聚离子液体混合，置于超声仪中采用200W的超声波辅助搅拌处理2.5h,得改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液；
(2)将钠基膨润土、硫酸钠、聚乙二醇以及总重量2.5倍的去离子水混合，置于超声仪中在55KHz的超声下搅拌处理2.5h，制得膨润土胶体溶液备用；
(3)将羧基化多壁碳纳米管、纳米锰酸锂以及总重量2.5倍的去离子水混合搅拌2.5h至均匀，并采用低温等离子体辅助处理增大其比表面积得改性多壁碳纳米管备用；
(4)将改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液、膨润土胶体溶液、改性多壁碳纳米管进行混合搅拌均匀，之后加入聚乙烯基咪唑固化剂，并循环通入惰性气体，在25℃下振荡22h至固化，之后加入碳二亚胺盐酸盐以及总重量3倍的去离子水100℃加热5h，过滤，压延制备成片状，180℃烘烤3.5h至干燥即得。
上述实施例1-3制得的电极材料的主要性能参数测试结果如表1所示。
表1实施例1-3制得的电极材料的主要性能参数
实施例1 实施例2 实施例3
吸附系数 58.92 60.89 64.90
导电系数 124.68 122.23 120.12
由上表可知，本发明的电极材料具有良好的吸附效果和导电性能，能够实现生物燃料的电池的高效分解产能需求。

Claims (1)

1.一种基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料，其特征在于，由下列重量份的原料制备：蚕丝蛋白微晶纤维素15-21、短链醇9-10、钠基膨润土18-22、硫酸钠12-14、聚乙二醇9-11、羧基化多壁碳纳米管15-19、包含铜离子的聚离子液体11-12、纳米锰酸锂4-6、聚乙烯基咪唑固化剂4-5、碳二亚胺盐酸盐4-5、适量的去离子水；
以上所述的基于蚕丝蛋白微晶纤维素和导电碳纳米管的生物燃料电池电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蚕丝蛋白微晶纤维素、短链醇、包含铜离子的聚离子液体混合，置于超声仪中采用200W的超声波辅助搅拌处理2-3h,得改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液；
(2)将钠基膨润土、硫酸钠、聚乙二醇以及总重量2-3倍的去离子水混合，置于超声仪中在50-60KHz的超声下搅拌处理2-3h，制得膨润土胶体溶液备用；
(3)将羧基化多壁碳纳米管、纳米锰酸锂以及总重量2-3倍的去离子水混合搅拌2-3h至均匀，并采用低温等离子体辅助处理增大其比表面积得改性多壁碳纳米管备用；
(4)将改性蚕丝蛋白微晶纤维素溶液、膨润土胶体溶液、改性多壁碳纳米管进行混合搅拌均匀，之后加入聚乙烯基咪唑固化剂，并循环通入惰性气体，在25℃下振荡20-24h至固化，之后加入碳二亚胺盐酸盐以及总重量2-4倍的去离子水100℃加热4-6h，过滤，压延制备成片状，180℃烘烤3-4h至干燥即得。
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