CN106207199B - 一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法 - Google Patents

一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，属于电池材料合成领域。本发明首先以葡萄糖氧化酶为阳极氧化酶，以甘油和蔗糖为酶稳定保护剂，经超声分散成酶液，再与壳聚糖和明胶于弱酸性条件下混合，经氢氧化钠溶液调节pH沉淀后，用纱布过滤，在玻璃板表面涂覆成膜，经干燥脱水后，浸泡于缓冲溶液中使膜脱离，再将膜置于戊二醛溶液中发生交联反应，增加膜的刚性，避免壳聚糖在酸性条件下软化流失，最后经洗涤干燥得到酶生物燃料电池阳极薄膜材料。本发明所得薄膜材料负载于Au电极作为燃料电池阳极显示出优异的电催化活性，且稳定性好，重现性高，酶可在薄膜的多层结构中保持活性，且薄膜内有大量的电活性中心，十分利于电催化。

Description

一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法
技术领域
本发明公开了一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，属于电池材料合成领域。
背景技术
生物燃料电池（BFC）是一种利用生物催化剂将化学能直接转化为电能的装置。常用的生物催化剂有微生物、细胞器（如线粒体）和酶。其中酶生物燃料电池（EBFC）的能量输出相比另外两种BFC要高很多，成为BFC研究的热点。由于酶种类多、易提取且催化条件温和，于传统的燃料电池相比，EBFC具有燃料来源广泛，价格低廉和能够在温和环境中工作（温度为20～40℃，中性pH）等优点，尤其是葡萄糖/氧气BFC可以利用人体血液中的葡萄糖和氧气作为BFC的阳极和阴极底物输出电流，有望用于如心脏起搏器等低能耗小型设备的内置电源。然而，由于酶的有效固定量有限、酶与电极间电子传递不畅、酶容易失活且存在泄漏等问题，EBFC也存在功率密度低、寿命短等缺点。因此，加快酶与电极间的电子传递、固定更多的酶且同时保持酶活性成为当前EBFC研究的重点。
早期燃料电池是将酶溶于溶液中，由于酶在溶液中只能保持数天，所以电池的寿命很短，而将酶固定在电极上，可以保持酶的活性，延长电池的使用周期。物理吸附是最简单的酶固定化方法，酶蛋白的活性中心不易被破坏，但相互作用较弱，需进一步提高载酶量及酶的稳定性。近年来，通过改进葡萄糖氧化酶电极的制备方法，如共价键连接和分子自组装、加入导电材料和氧化还原聚合物修饰电极等，更好的满足了酶生物燃料电池对电极的要求，但由于葡萄糖氧化酶的辅基FAD被蛋白质外壳包围，阻碍了电子在酶活性中心和电极导电材料之间的转移。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：针对传统酶生物燃料电池阳极材料在使用过程中出现的，酶的有效固定量低，酶与电极电子传递不顺畅，导致生物燃料电池功率密度低，寿命短的问题，提供了一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，本发明首先以葡萄糖氧化酶为阳极氧化酶，以甘油和蔗糖为酶稳定保护剂，经超声分散成酶液，再与壳聚糖和明胶于弱酸性条件下混合，经氢氧化钠溶液调节pH沉淀后，用纱布过滤，在玻璃板表面涂覆成膜，经干燥脱水后，浸泡于缓冲溶液中使膜脱离，再将膜置于戊二醛溶液中发生交联反应，增加膜的刚性，避免壳聚糖在酸性条件下软化流失，最后经洗涤干燥得到酶生物燃料电池阳极薄膜材料。本发明所得薄膜材料负载于Au电极作为燃料电池阳极显示出优异的电催化活性，且稳定性好，重现性高，酶可在薄膜的多层结构中保持活性，且薄膜内有大量的电活性中心，十分利于电催化。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
（1）依次称取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45～50℃，功率为160～180W条件下，超声分散8～10min，随后将烧杯迅速转入2～4℃冰水浴中处理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；
（2）依次称取0.8～1.2g壳聚糖，3～5g明胶，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL质量浓度为2～4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400～600r/min转速搅拌混合20～30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6～8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6～8.8，继续搅拌混合10～15min；
（3）待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为35～40℃条件下干燥2～4h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；
（4）收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤3～5次，随后将膜转入盛有200～300mL质量浓度为0.02～0.04%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为40～45℃，恒温反应45～60min；
（5）待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜3～5次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于45～50℃条件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。
本发明的应用方法：将Au电极用氧化铝和鹿皮打磨、抛光，再用质量浓度为20～25%硝酸浸泡2～4h，随后用丙酮洗涤3～5次，再用去离子水洗涤2～4次，经干燥后将Au电极浸没于浓度为10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化30～40min，再将本发明所得电池阳极薄膜材料负载于Au电极表面，即得酶生物燃料电池阳极，将其取代常规燃料电池阳极，应用于燃料电池中，经检测，葡萄糖氧化酶在阳极材料多层结构中保持较高的活性，灵敏度可达6.2～6.5μA/(mmol·cm2)，稳定性好，重现型高，所制备的燃料电池使用寿命较常规燃料电池提高80～100天，可作为微型电源广泛应用于医学领域植入人体内部。
本发明的有益效果是：
（1）本发明所得产品原料来源广泛，廉价易得，应用于燃料电池中反应条件温和，生物相容性好，是一种可再生的绿色能源，符合可持续发展战略要求；
（2）本发明所得薄膜材料具有三维空间结构，薄膜内有大量的电活性中心，十分有利于电催化，同时制备方法简单，电极使用寿命长，可以广泛使用。
具体实施方式
依次称取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45～50℃，功率为160～180W条件下，超声分散8～10min，随后将烧杯迅速转入2～4℃冰水浴中处理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；依次称取0.8～1.2g壳聚糖，3～5g明胶，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL质量浓度为2～4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400～600r/min转速搅拌混合20～30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6～8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6～8.8，继续搅拌混合10～15min；待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为35～40℃条件下干燥2～4h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤3～5次，随后将膜转入盛有200～300mL质量浓度为0.02～0.04%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为40～45℃，恒温反应45～60min；待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜3～5次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于45～50℃条件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。
实例1
依次称取16g葡萄糖氧化酶，15g甘油，3g蔗糖，加入盛有800mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45℃，功率为160W条件下，超声分散8min，随后将烧杯迅速转入2℃冰水浴中处理3h，得葡萄糖氧化酶液；依次称取0.8g壳聚糖，3g明胶，16mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100mL质量浓度为2%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400r/min转速搅拌混合20min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6，继续搅拌混合10min；待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为35℃条件下干燥2h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤3次，随后将膜转入盛有200mL质量浓度为0.02%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为40℃，恒温反应45min；待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜3次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于45℃条件下，干燥6h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。
将Au电极用氧化铝和鹿皮打磨、抛光，再用质量浓度为20%硝酸浸泡2h，随后用丙酮洗涤3次，再用去离子水洗涤2次，经干燥后将Au电极浸没于浓度为10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化30min，再将本发明所得电池阳极薄膜材料负载于Au电极表面，即得酶生物燃料电池阳极，将其取代常规燃料电池阳极，应用于燃料电池中，经检测，葡萄糖氧化酶在阳极材料多层结构中保持较高的活性，灵敏度可达6.2μA/(mmol·cm2)，稳定性好，重现型高，所制备的燃料电池使用寿命较常规燃料电池提高80天，可作为微型电源广泛应用于医学领域植入人体内部。
实例2
依次称取17g葡萄糖氧化酶，18g甘油，4g蔗糖，加入盛有900mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为48℃，功率为170W条件下，超声分散9min，随后将烧杯迅速转入3℃冰水浴中处理4h，得葡萄糖氧化酶液；依次称取1g壳聚糖，4g明胶，18mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有110mL质量浓度为3%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以500r/min转速搅拌混合25min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为7%氢氧化钠溶液，调节pH至8.7，继续搅拌混合12min；待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为38℃条件下干燥3h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤4次，随后将膜转入盛有260mL质量浓度为0.03%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为42℃，恒温反应55min；待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜4次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于48℃条件下，干燥7h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。
将Au电极用氧化铝和鹿皮打磨、抛光，再用质量浓度为22%硝酸浸泡3h，随后用丙酮洗涤4次，再用去离子水洗涤3次，经干燥后将Au电极浸没于浓度为10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化35min，再将本发明所得电池阳极薄膜材料负载于Au电极表面，即得酶生物燃料电池阳极，将其取代常规燃料电池阳极，应用于燃料电池中，经检测，葡萄糖氧化酶在阳极材料多层结构中保持较高的活性，灵敏度可达6.3μA/(mmol·cm2)，稳定性好，重现型高，所制备的燃料电池使用寿命较常规燃料电池提高90天，可作为微型电源广泛应用于医学领域植入人体内部。
实例3
依次称取18g葡萄糖氧化酶，20g甘油，5g蔗糖，加入盛有1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为50℃，功率为180W条件下，超声分散10min，随后将烧杯迅速转入4℃冰水浴中处理5h，得葡萄糖氧化酶液；依次称取1.2g壳聚糖，5g明胶，20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有120mL质量浓度为4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以600r/min转速搅拌混合30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.8，继续搅拌混合15min；待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为40℃条件下干燥4h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤5次，随后将膜转入盛有300mL质量浓度为0.04%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为45℃，恒温反应60min；待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜5次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于50℃条件下，干燥8h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。
将Au电极用氧化铝和鹿皮打磨、抛光，再用质量浓度为25%硝酸浸泡4h，随后用丙酮洗涤5次，再用去离子水洗涤4次，经干燥后将Au电极浸没于浓度为10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化40min，再将本发明所得电池阳极薄膜材料负载于Au电极表面，即得酶生物燃料电池阳极，将其取代常规燃料电池阳极，应用于燃料电池中，经检测，葡萄糖氧化酶在阳极材料多层结构中保持较高的活性，灵敏度可达6.5μA/(mmol·cm2)，稳定性好，重现型高，所制备的燃料电池使用寿命较常规燃料电池提高100天，可作为微型电源广泛应用于医学领域植入人体内部。

Claims (1)

1.一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）依次称取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45～50℃，功率为160～180W条件下，超声分散8～10min，随后将烧杯迅速转入2～4℃冰水浴中处理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；
（2）依次称取0.8～1.2g壳聚糖，3～5g明胶，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL质量浓度为2～4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400～600r/min转速搅拌混合20～30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6～8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6～8.8，继续搅拌混合10～15min；
（3）待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为35～40℃条件下干燥2～4h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面薄膜完全脱离；
（4）收集上述缓冲溶液中脱离的薄膜，用去离子水洗涤3～5次，随后将薄膜转入盛有200～300mL质量浓度为0.02～0.04%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为40～45℃，恒温反应45～60min；
（5）待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜3～5次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于45～50℃条件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。
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