CN107799777A - 一种微型生物燃料电池阳极及其制备方法 - Google Patents

一种微型生物燃料电池阳极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种微型生物燃料电池阳极及其制备方法，所述微型生物燃料电池阳极包括聚合物薄膜基体和覆设于所述聚合物薄膜基体的固定化酶，所述固定化酶包括有序介孔碳以及固定于所述有序介孔碳的生物酶，所述有序介孔碳是具有孔径为2～50 nm三维孔道结构的介稳态的碳晶体。所述制备方法包括：将生物酶固定化在有序介孔碳；将固定化了生物酶的有序介孔碳和溶剂混合制成悬浮液；将所述悬浮液覆设于聚合物薄膜基体上，真空干燥，即制得微型生物燃料电池阳极。本发明制得的阳极能够增强生物燃料电池的电能输出；且能够延长生物燃料电池阳极的使用寿命。

Description

一种微型生物燃料电池阳极及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物新能源技术领域，特别涉及微型生物燃料电池阳极以及其制备方法。
背景技术
生物燃料电池（Biofuel-cells，简称BFCs)，是一种真正意义上的可再生绿色电池，可利用人体内丰富的葡萄糖，并通过电极上的生物酶氧化产生电子，提供电能。与传统的化学电池技术相比，生物燃料电池具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，生物燃料电池能在常温、常压甚至是低温的环境条件下有效运作，电池维护成本低、安全性强。第三，生物燃料电池不会产生污染环境的副产物。第四，生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的微生物燃料电池可以直接植入人体。
目前，葡萄糖生物燃料电池主要面临两个瓶颈问题：电能密度较低、生命周期较短。究其原因，主要是由于电子传递效率及酶活稳定性决定的。
直接电子传递（Direct Electron Transfer，简称DET）：使电子从酶反应中心直接传递到电极表面上，无需引入媒介体，避免了外加毒性物质，固定化也相对简单，是制作生物传感器和生物燃料电池最理想的方式。现在越来越多的研究者试图寻找一种新的电极材料或制作工艺，实现直接电子传递，借以提高电池功率密度。
以酶电极为例，研究者们尝试的直接电子传递的方法主要有以下几种：
I.对酶分子的蛋白质外壳进行改造修饰，使得电子得以自由通过，然后把酶固定在电极上。然而这种方式在一定程度上改变了蛋白质结构，可操作条件具有局限性，且易影响酶活及稳定性。
II.聚合物固定化酶，导电聚合物就像导线一样，穿过蛋白质外壳，将电极延伸到酶活性中心附近，大大缩短电子传递的距离，从而实现电子直接传递。然而聚合物普遍孔径较大，不利于酶的固定化。
III.通过在电极表面进行贵金属纳米粒子、以及碳纳米管等物质的修饰，利用纳米粒子独特的尺寸效应、表面效应来实现直接电子传递。这方面的研究主要集中在用单层碳纳米管 （SWNTs）, 多层碳纳米管 （MWNTs）, 纳米纤维（Nanofibers） 或导电聚合物如（Graphen）来修饰电极 (如Glassy carbon,Gold, Graphite carbon, etc.）改善电极性能。
酶的固定化-将酶尽可能多的固定在电极上，提高电极上的酶载量能够提高电能输出和电流的稳定性。因此碳纳米材料作为既具有导电性，又可以固定酶的优质载体越来越受到关注。有序介孔碳（OMC）是孔径为2～50 nm、具有巨大表面积和三维孔道结构的一种介稳态的碳晶体。它有着高度有序的孔道结构，比较大的孔容（2.25 cm3/g），较大的比表面积（可高达2500 cm2/g）、较好的化学稳定性能、易于功能化且具有电导性等优点，因而被广泛应用于催化剂载体和电极材料等领域。相较于碳纳米管（CNTs, SCNTs, WCNTs）将酶吸附于表面，OMC可将生物酶吸附于其孔径内，因而更稳定。
目前，国外研究主要使用碳纳米管固定生物酶，修饰电极，以获取更高的电流输出。Min et al. 将葡萄糖氧化酶（GOx）和 酪氨酸酶（Tyrosinase）固定在单层碳纳米管（SWNTs）上修饰生物燃料电池的阳极和阴极，产生的输出功率为157.4 μW/cm2。Zhao etal. 利用分别固定了葡萄糖氧化酶（GOx）和 漆酶（LAC）的羟基磷灰石碳纳米管修饰玻璃碳作电极，在浓度为10 mM葡萄糖溶液中输出功率为15.8 μW/cm2 。Shim et al. 利用功能化的石墨碳二茂铁衍生物固定葡萄糖氧化酶（GOx）和胆红素氧化酶 (BOx) 分别修饰阳极和阴极. 其形成的生物燃料电池开路电压为0.49 V，在葡萄糖浓度为20 mM时最大功率密度为13 μW/cm2 ，电压为 0.25 V。以往研究仅用固定了生物酶的纳米颗粒来修饰电极，而非直接制作电极，使得整个电极的酶载量受限，电能输出效率难以提升；此外，由于引入了电极和电极修饰材料，电极结构较为复杂，不利于微型化生产。
综上所述，微型高效的生物燃料电池的电极，需要具有以下几个重要性质：(1) 具有多孔性，有利于酶的固定化及提高传质效率； (2) 具有较大表面积，有利于增加酶载量；(3) 能够实现从酶活中心到电极的直接电子传递； (4) 具有纳米级尺寸，可制作微型多层电极。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型生物燃料电池阳极及其制备方法，以提高电极的电流强度和电能密度，增强生物燃料电池的电能输出；以及提升固定化酶电极的稳定性，延长生物燃料电池阳极的使用寿命。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种微型生物燃料电池阳极，所述微型生物燃料电池阳极包括聚合物薄膜基体和覆设于所述聚合物薄膜基体的固定化酶，所述固定化酶包括有序介孔碳以及固定于所述有序介孔碳的生物酶，所述有序介孔碳是具有孔径为2～50 nm三维孔道结构的介稳态的碳晶体。
优选地，所述聚合物薄膜基体为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜片。
优选地，所述生物酶为葡萄糖氧化酶。
优选地，所述固定化酶中每克有序介孔碳上固定化的生物酶大于37毫克，最大输出电流密度达85.12μA/cm2。
上述微型生物燃料电池阳极的制备方法，所述制备方法包括：
将生物酶固定化在有序介孔碳；
将固定化了生物酶的有序介孔碳和溶剂混合制成悬浮液；
将所述悬浮液覆设于聚合物薄膜基体上，真空干燥，即制得微型生物燃料电池阳极。
在上所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法中，优选地，将生物酶固定化在有序介孔碳的方法包括：将生物酶、有序介孔碳、氯化钠和缓冲溶液振荡反应，然后离心，将离心得到的固定化酶在-30℃～-10℃下放置40h～60h，真空冷冻干燥60h～80h。
在上所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法中，优选地，所述生物酶为葡萄糖氧化酶，所述缓冲溶液为pH 6.5的0.1M磷酸缓冲溶液；所述生物酶、有序介孔碳、氯化钠的浓度分别为4～6 mg/ml、20～40 mg/ml、0.5～1.5 mol /l；所述振荡反应在恒温摇床进行，反应温度为20℃～30℃，摇床转速100rpm～200 rpm，反应时间为10小时～15小时。
在上所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法中，优选地，制备所述悬浮液的溶剂为PEDOT:PSS，固定化了生物酶的有序介孔碳与溶剂的比例为100 mg:1.2～1.8 ml。
在上所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法中，优选地，所述制备方法还包括在将所述悬浮液设置于聚合物薄膜基体上之前，对聚合物薄膜基体做以下预处理：用乙醇/丙酮混合液，5% NaOH 溶液和蒸馏水分别超声清洗，然后在50～70 ℃真空干燥。
在上所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法中，优选地，所述真空干燥包括在25℃～35℃真空干燥35分钟～25分钟。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
由于采用有序介孔碳作生物酶载体，有序介孔碳具有巨大表面积（可高达2500 cm2/g）和高度有序的孔道结构（孔容达2.25 cm3/g），能将生物酶吸附于其孔径内，一方面能够有效增加酶载量，能够提高电极的电流强度和电能密度，增强生物燃料电池的电能输出；另一方面能够提升固定化酶电极的稳定性，延长生物燃料电池阳极的使用寿命。
上述制备方法使生物酶在有序介孔碳固定化达到了最优。经试验，葡萄糖氧化酶在有序介孔碳上固定化达到最大值为 37.38 mg/g OMC (酶活8531.59 U/ g）。制得的固定化酶可以实现电子的直接传递，且电能密度及电流稳定性均高于游离的葡萄糖氧化酶，最大输出电流密度达85.12μA/cm2。
附图说明
图1为热稳定性对比图；
图2为pH稳定性对比图；
图3为伏安循环曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
一种微型生物燃料电池阳极，所述微型生物燃料电池阳极包括聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜片和覆设于所述聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜片的固定化酶，所述固定化酶包括有序介孔碳（OMC）以及固定于所述有序介孔碳的葡萄糖氧化酶（GOx）。
实施例2：
实施例1所述微型生物燃料电池阳极的制备方法：
(1)将葡萄糖氧化酶固定在有序介孔碳上：
固定化条件为：葡萄糖氧化酶（GOx）(Type X-S from Aspergillus niger) 5 mg/ml、有序介孔碳 （OMC）(average pore diameter 100±10 Ao, 0.5 cm3/g pore volume) 30mg /ml、氯化钠1 mol/l、 pH 6.5的0.1M磷酸缓冲溶液，在25℃下，摇床转速150 rpm，反应12个小时；然后，在10000 g转速下离心3分钟，将固定化酶在-20℃下放置48h，真空冷冻干燥72h，获得固定了葡萄糖氧化酶的有序介孔碳（OMC-GOx）。
(2) 微型生物电极材料的预混合及预处理：
将(1)中制备的固定了葡萄糖氧化酶的有序介孔碳与PEDOT:PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate), 1.1% in H2O, Sigma Inc., USA)以100 mg:1.5 ml的比例混合形成悬浮液（PEDOT:PSS/OMC-GOx）。
将2 cm × 3 cm× 200 μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜片用1:1 乙醇/丙酮混合液, 5% NaOH 溶液和蒸馏水分别超声清洗15分钟，并在60℃真空干燥15 分钟。
(3)将所述悬浮液覆设于聚合物薄膜基体上，真空干燥：
取250μl 步骤（2）中制备的悬浮液（PEDOT:PSS/OMC-GOx）滴在经过步骤（2）预处理的2cm × 3 cm× 200 μm聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜片上，在30℃真空干燥30 分钟，最终形成微型生物电池阳极。
上述实施例中，葡萄糖氧化酶在有序介孔碳上固定化达到最大值为 37.38 mg/ gOMC (酶活8531.59 U/ g）。
将实施例2中制得的固定化酶与自由葡萄糖氧化酶对比，获得固定化酶热稳定性及pH稳定性。
热稳定性对比结果如图1所示，其中白底柱体表示自由葡萄糖氧化酶，填充阴影线的柱体表示实施例2中制得的固定化酶，可以看出，在37.3℃（人体温度）下实施例2中制得的固定化酶的酶活大于自由葡萄糖氧化酶的酶活，因此通过酶的固定化提高了葡萄糖氧化酶在37.3℃下的酶活。
pH稳定性对比结果如图2所示，小方块连接成的曲线表示自由葡萄糖氧化酶，圆圈连接成的曲线表示实施例2中制得的固定化酶，可以看出，自由葡萄糖氧化酶的最适反应pH为6.6，固定化酶的最适反应pH为7.2。
由此可以得出，实施例2中制得的固定化酶更适合在生理条件（人体内）作为电极催化剂，氧化葡萄糖产电。
伏安循环曲线对比：
将(a) OMC/PEDOT-PSS, (b) GOx/PEDOT-PSS, (c) GOx/OMC/PEDOT-PSS, (d) GOximmobilized-OMC/PEDOT-PSS（即实施例2制得的微型生物电池阳极） 在O2条件下0.1 M 磷酸缓冲溶液, pH 7.0 , 10 mM 葡萄糖,扫描速率100 mV/s测定，结果如图3所示。实验得出，将葡萄糖氧化酶固定在有序介孔碳上可以实现电子的直接传递，且电能密度及电流稳定性均高于游离的葡萄糖氧化酶，最大输出电流密度为85.12μA/cm2。
上述通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本发明的内容，并不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域技术人员在本发明构思下对上述方案进行的各种润饰、等效变换等均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微型生物燃料电池阳极，其特征在于：所述微型生物燃料电池阳极包括聚合物薄膜基体和覆设于所述聚合物薄膜基体的固定化酶，所述固定化酶包括有序介孔碳以及固定于所述有序介孔碳的生物酶，所述有序介孔碳是具有孔径为2～50 nm三维孔道结构的介稳态的碳晶体。
2.根据权利要求1所述的微型生物燃料电池阳极，其特征在于：所述聚合物薄膜基体为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜片。
3.根据权利要求1所述的微型生物燃料电池阳极，其特征在于：所述生物酶为葡萄糖氧化酶。
4.根据权利要求3所述的微型生物燃料电池阳极，其特征在于：所述固定化酶中每克有序介孔碳上固定化的生物酶大于37毫克，最大输出电流密度达85.12μA/cm2。
5.微型生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将生物酶固定化在有序介孔碳；
将固定化了生物酶的有序介孔碳和溶剂混合制成悬浮液；
将所述悬浮液覆设于聚合物薄膜基体上，真空干燥，即制得微型生物燃料电池阳极。
6.根据权利要求5所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于，将生物酶固定化在有序介孔碳的方法包括：将生物酶、有序介孔碳、氯化钠和缓冲溶液振荡反应，然后离心，将离心得到的固定化酶在-30℃～-10℃下放置40h～60h，真空冷冻干燥60h～80h。
7.根据权利要求6所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于：所述生物酶为葡萄糖氧化酶，所述缓冲溶液为pH 6.5的0.1M磷酸缓冲溶液；所述生物酶、有序介孔碳、氯化钠的浓度分别为4～6 mg/ml、20～40 mg/ml、0.5～1.5 mol /l；所述振荡反应在恒温摇床进行，反应温度为20℃～30℃，摇床转速100rpm～200 rpm，反应时间为10小时～15小时。
8.根据权利要求5所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于：制备所述悬浮液的溶剂为PEDOT:PSS，固定化了生物酶的有序介孔碳与溶剂的比例为100 mg:1.2～1.8ml。
9.根据权利要求5所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在将所述悬浮液设置于聚合物薄膜基体上之前，对聚合物薄膜基体做以下预处理：用乙醇/丙酮混合液，5% NaOH 溶液和蒸馏水分别超声清洗，然后在50～70 ℃真空干燥。
10.根据权利要求5所述的微型生物燃料电池阳极的制备方法，其特征在于：所述真空干燥包括在25℃～35℃真空干燥35分钟～25分钟。
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