CN113690449A - 一种基于酶和介质双重固定生物电极的高性能无膜乳酸生物燃料电池 - Google Patents

一种基于酶和介质双重固定生物电极的高性能无膜乳酸生物燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于酶和介质双重固定生物电极的高性能无膜乳酸生物燃料电池。首先提供一种富含缺陷的N‑CNTs/CNRs复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将多壁碳纳米管分散于浓H2SO4中，然后在冰水浴的条件下加入KMnO4；S2、将步骤S1得到的混合物加热至55～75℃保持10～30min，淬灭后静置；S3、将步骤S2得到的混合物进行离心，所得产物经冻干得到CNT/O‑Gr前体；S4、将CNT/O‑Gr前体分散于水中，加入尿素后，置于高压釜中进行水热反应，所得产物经干燥得到N‑CNTs/CNRs；S5、将N‑CNTs/CNRs于惰性气氛中进行热退火即得。所述N‑CNTs/CNRs复合材料可作为生物阳极和生物阴极的支撑材料，进而构建用于生物电子应用的高性能生物电极，在可穿戴设备中具有重要的用途。

Description

一种基于酶和介质双重固定生物电极的高性能无膜乳酸生物 燃料电池
技术领域
本发明涉及一种基于酶和介质双重固定生物电极的高性能无膜乳酸生物燃料电池，属于燃料电池技术领域。
背景技术
酶促生物燃料电池(EBFC)是一类燃料电池，可在生物酶催化下通过生物电化学途径将生物质燃料(糖、醇和有机酸)氧化过程中释放的化学能转化为电能。它是一种高效、特异性强、可持续供应的能源设备，可以在温和的反应条件下工作。因此，它逐渐成为广泛研究的热门话题(Barton等人2004；Escalona-Villalpando等人2019； Gamella等人2018；Huang等人2019；Kai等人2019；Kwon等人2018；Sakai等，2009； Shitanda等，2017a；Shitanda等，2017b；Shitanda等，2019；Sim等，2018)。然而， EBFC的性能受到酶与电极之间缓慢的电子转移速率的限制，导致EBFC的输出功率低，稳定性差和使用寿命短(Kang等人2018)。这些问题的主要原因是氧化酶的活性中心嵌入蛋白质的内壳中，导致酶的活性中心与电极之间的距离较大，并且电子无法快速转移到电极表面(Blaik等人2016；Prasad等人2014)。根据电子转移的不同方法，可将其分为直接电子转移(DET)和介导的电子转移(MET)(Cosnier等人2016；Huang 等人2019；Zhang等人2020)。DET可以使电催化反应的起始电势接近酶活性中心的热力学电势，从而为EBFC带来高的开路电压。这要求酶分子在电极表面上获得严格的空间取向，并且操作过程通常更复杂。MET是指引入氧化还原活性物质以介导导电电子在酶的活性中心与电极之间的有效转移的过程。MET通常可以带来更高的催化电流，这在一定程度上弥补了由潜在损失引起的EBFC功率密度降低不足(Navaee和 Salimi2015；Zebda等人2011)。
乳酸氧化酶(LOx)是乳酸生物燃料电池中常用的生物阳极酶之一。通过在阳极上转移两个电子，它可以将乳酸氧化为丙酮酸。为了增加乳酸生物燃料电池的输出功率，有必要在电极表面找到酶的双重固定，介体和燃料的有效传质(Shitanda et al.2019)。因此，最近的许多研究都使用多孔碳、碳纳米管和炭黑作为酶载体(Bourourou 等，2014；Gross等，2017；Yamagiwa等，2015)。最近，MgO模板碳(MgOC)已被广泛用于提高乳酸生物燃料电池的稳定性和输出功率(Funabashi等人2017；Niiyama 等人2019；Shitanda等人2015；Suzuki等人2017；Suzuki等人等2016；Tsujimura和 Murata 2015)，可以通过调节MgO的晶体大小来控制这种多孔碳材料的孔径，并且可以根据酶的大小将酶固定化(Shitanda等人2019)。Wang等使用由多壁碳纳米管组成的巴基纸(BP)作为基础材料来制备乳酸/O2生物燃料电池。通过聚降冰片烯均聚物对BP进行修饰，以增强酶在材料表面的固定(Chen等，2019)。然而，传统的碳材料(石墨烯、碳纳米管)具有非极性特性，并且对极性介体的吸附能力较差，导致电极稳定性降低。因此有必要提供一种能使酶和介质双重固定的支撑材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种酶和介质双重固定于N-CNTs/CNRs上的生物电极及高性能无膜乳酸/氧气生物燃料电池，具有良好的生物电催化性能。
本发明首先提供一种富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将多壁碳纳米管分散于浓H2SO4中，然后在冰水浴(0～4℃)的条件下加入KMnO4；
S2、将步骤S1得到的混合物加热至55～75℃保持10～30min，淬灭后静置；
S3、将步骤S2得到的混合物进行离心，所得产物经冻干得到CNT/O-Gr前体；
S4、将所述CNT/O-Gr前体分散于水中，加入尿素后，置于高压釜中进行水热反应，所得产物经干燥得到N-CNTs/CNRs；
S5、将所述N-CNTs/CNRs于惰性气氛中进行热退火，即得所述富含缺陷的 N-CNTs/CNRs复合材料。
上述的制备方法中，步骤S1中，所述多壁碳纳米管(MWCNT)、所述浓H2SO4 (质量分数为98％)与所述KMnO4的配比为：1g：20～50mL：3～7g；
加入所述KMnO4后于室温下搅拌30min～90min。
上述的制备方法中，步骤S2中，采用冰水进行猝灭；
于室温下静置12～48h。
上述的制备方法中，步骤S4中，所述CNT/O-Gr前体与所述尿素的质量比为1： 10～50，优选1：30；
加入所述尿素后于超声条件下搅拌10～30min后再进行所述水热反应；
所述水热反应的温度为160～200℃，时间为8～12h，如在180℃下反应12h；
上述的制备方法中，步骤S4中，所述水热反应后冷却至室温，采用去离子水系体后干燥得到所述产物。
上述的制备方法中，步骤S5中，于管式炉中进行所述热退火；
所述热退火的温度为1200～1700℃，如在1600℃的条件下进行退火。
本发明方法制备的三维碳复合结构作为支撑材料，将酶和介体双重固定，得到乳酸氧化酶(LOx)/四硫富瓦烯(TTF)生物阳极和胆红素氧化酶(BOD)/2，2'-二叠氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)生物阴极，具有良好的生物电催化性能。
本发明提供了生物阳极的制备方法，包括如下步骤：
将四硫富瓦烯、乳酸氧化酶、所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料的混合液滴加至导电电极上，经干燥即得；
所述混合液中含有BSA，以对乳酸氧化酶起到保护的作用，防止乳酸氧化酶的分解和特异性吸附，能减轻乳酸氧化酶在不利条件环境中变性；
所述导电电极可为玻碳电极、碳布电极、碳纸电极或泡沫镍；
优选地，所述四硫富瓦烯采用乙醇分散液，浓度为10～50mM，所述乳酸氧化酶采用0.1M PBS(pH 7.2)缓冲液，浓度为30.0～50.0mg mL-1，所述富含缺陷的 N-CNTs/CNRs复合材料采用N，N-二甲基甲酰胺分散液，浓度为5～10mM。
本发明还提供了生物阴极的制备方法，包括如下步骤：
将所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料和2,2'-二叠氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6- 磺酸的混合液滴加至导电电极上，进行干燥；然后浇铸胆红素氧化酶的溶液即得；
采用0.1M PBS(pH 7.2)缓冲液配制所述混合液；
所述导电电极可为玻碳电极、碳布电极、碳纸电极或泡沫镍。
以含有乳酸的缓冲溶液作为电解质，采用本发明所述生物阳极和所述生物阴极，可构建单室乳酸/O2生物燃料电池；
所述缓冲溶液可为PBS溶液或柠檬酸盐缓冲液。
本发明提供了碳纳米管散布在石墨烯纳米带中的三维碳复合材料，具有缺陷多，比表面积大的优点，可用作酶双固定化的支撑材料和EBFC应用的相应介体，显示出优异的电化学性能。此外，DFT计算揭示了缺陷碳与介体TTF之间存在强吸附相互作用。本发明所构建的无膜乳酸/O2 EBFC具有高性能，在PBS缓冲液中的开路电势为 0.62V，功率密度为70.7μWcm-2，在合成泪液中的开路电势和功率密度分别为0.58V 合18.6μWcm-2。在合成泪液中使用单酶系统的乳酸/O2 EBFC中，这也是最高的性能。本发明提供的支撑材料，为构建用于生物电子应用的高性能生物电极提供了双重固定策略，在可穿戴设备中具有重要的用途。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的富含缺陷的N-CNTs/CNRs-1600复合材料的流图。
图2为本发明实施例1制备的CNTs(图2(a)和N-CNTs/CNRs-1600复合物(图2(b)和图2(c)的SEM照片。
图3为本发明实施例1制备的N-CNTs/CNRs-1600复合材料的TEM图像(图3 (a))和HRTEM图像(图3(b))。
图4为本发明实施例1制备的CNTs、N-CNTs/CNRs和N-CNTs/CNRs-1600的XRD 图谱(图4(a))、拉曼光谱(图4(b))、FI-IR光谱(图4(c))、XPS调查光谱(图 4(d))、N 1s光谱(图4(e))以及CNTs和N-CNTs/CNRs-1600的N2等温吸附-解吸曲线(图4(f)，插图显示了相应的BJH孔径分布曲线)。
图5为本发明实施例1制备的CNTs、N-CNTs/CNRs和N-CNTs/CNRs-1600的C1s XPS谱图，其中C1代表C-C，C2代表C-O，C3代表C-C＝O。
图6为发明实施例1制备的CNTs、N-CNTs/CNRs和N-CNTs/CNRs-1600的O1s XPS谱图。
图7为本发明实施例1制备的CNTs/GCE和N-CNTs/CNRs-1600/GCE在5mM铁氰化钾溶液(含0.1M KCl)中的Nyquist曲线。
图8为本发明实施例1制备的CNTs/GCE和N-CNTs/CNRs-1600/GCE在含0.1M KCl的5mM铁氰化钾溶液中的CV曲线，扫速10mV/s。
图9为本发明实施例2制备的CNTs生物阳极(图9(a))、Graphene生物阳极(图 9(b))、N-CNTs/CNRs-1600生物阳极(图9(c))第一圈和最后一圈的CV曲线、三种材料在0.2V、0.1M PBS(pH 7.2)缓冲液中的催化电流值(图9(d))、裸玻碳电极在阳极漏液中的CV曲线(图9(e))、裸玻碳电极在含TTF介体电解液中的CV曲线 (图9(f))。
图10为在含有不同乳酸的0.1M PBS(pH7.2)缓冲液中， LOx/TTF/N-CNTs/CNRs-1600/GCE的CV曲线，扫描速率为10mV s-1(图10(a))、催化电流与乳酸盐浓度之间的关系(图10(b))、催化电流与时间之间的关系(图10 (c))、将电流密度J绘制为时间的函数(图10(d))，并将J0定义为第一天的电流密度。
图11为TTF对原始石墨烯和缺陷石墨烯的吸附能(插图显示了TTF吸附的原始石墨烯和缺陷石墨烯的优化结构)。
图12为不同酶载量的阳极在0.1M PBS(pH 7.2)的CV曲线：3μL(图12(a))、 4μL(图12(b))、5μL(图12(c))、6μL(图12(d))、7μL(图12(e)),扫速 10mV/s；催化电流值与酶量的关系(图12(f))。
图13为N-CNT/CNRs-1600/GCE在0.1M PBS(pH 7.2)中不同介体(TTF)浓度的CV曲线：10mM(图13(a))、20mM(图13(b))、30mM(图13(c))、40mM (图13(d))、50mM(图13(e))扫速10mV/s；催化电流密度与TTF浓度的关系 (图13(f))。
图14为在不同气氛下，在0.1M PBS缓冲溶液(pH 7.2)中， BOD/ABTS/N-CNTs/CNRs-1600生物阴极的CV曲线(图14(a))、BOD/ABTS/N-CNTs/CNRs-1600在O2饱和的0.1MPBS缓冲溶液(pH 7.2)中在0V 偏压下的计时电流法曲线(图14(b))。
图15为乳酸盐/O2酶生物燃料电池的结构示意图。
图16为0.1M PBS缓冲溶液(图16(a))和合成泪液(图16(b))中基于LOx 修饰的阳极和BOD修饰的阴极的无膜乳酸/O2 EBFC的LSV和功率输出曲线；0.1M PBS缓冲液(图16(c)和(图16(d))合成眼泪中无膜乳酸/O2 EBFC的恒定电流放电曲线。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所使用的材料如下：
MWCNT(直径为10-20nm，长度为5～15μm)和乳酸购自阿拉丁，LOx购自日本(Toyko100-0006 42U mg-1)，TTF购自Sigma Aldrich，白蛋白(BSA)是从Aladdin 购买的，BOD购自Sigma Aldrich，ABTS购自Aladdin。合成泪液由150mM PBS(pH 7.2)，0.05mMβ-D-葡萄糖，3mM L-乳酸盐，0.18mM L-抗坏血酸盐，5.4mM尿素， 2.47mg mL-1溶菌酶，0.2mg mL-1BSA和0.15mg m L-1粘蛋白。使用0.1M NaOH将混合物的pH值调节至7.2(Azharuddin等人，2014；Reid等人，2015)。
下述实施例中使用的表征方法如下：
X射线衍射(XRD)在PANalytical X'pert Pro X射线衍射仪上进行。拉曼光谱是在WITecCRM200仪器上使用532nm激光记录的。场发射扫描电子显微镜(FESEM) 在JSM-6701场发射SEM仪器上操作，加速电压为10kV。在JEOL JEM-2100显微镜上进行透射电子显微镜(TEM)，其在200kV的加速电压下操作。在Thermo Scientific Escalab 250光谱仪上使用AlKαX射线源X射线光电子能谱(XPS)分析。在 Micromeritics ASAP 2020HD分析仪上以77K进行N2吸附测量。使用仪器上的532nm Laser WITecCRM200进行拉曼光谱分析。傅立叶变换红外光谱(FT-IR)记录在Spectrum 100FT-IR上。使用高斯程序(Gaussian)来实现密度泛函理论(DFT)，以实现电子的交换和相关效应，并计算分子的能量和结构。
下述实施例中的电化学方法和BFC性能：
电化学实验是使用电化学工作站(CHI 660C，CHI仪器，中国上海)进行的。 LOx/TTF/N-CNTs/CNRs-1600/GCE电极在0.1M PBS(pH 7.2)中进行评估，使用 Ag/AgCl(3M)作为参比电极，并使用Pt箔(表面积：1cm2)作为对电极电极。循环伏安法(CV)以10mV s-1的扫描速率进行，电位范围为
Figure BDA0003215398240000051
(vs.Ag/AgCl)。 BOD/ABTS/N-CNTs/CNRs-1600/GCE分别在有或没有0.5mM ABTS(游离和双重固定)的0.1M PBS(pH 7.2)中进行，以减少氧气。稳定性实验是间歇进行的。首先，在10mV s-1的扫描速率下，在0.1M PBS缓冲液(pH 7.2)中，在有无乳酸的情况下测试CV曲线，然后将电极轻轻取出，并用去离子水冲洗，然后存放在4℃的冰箱中。每天重复进行一次为期5天的CV测试。所有实验均在环境温度下进行。
实施例1、富含缺陷的N-CNTs/CNRs-1600的合成
通过部分解压缩MWCNT的侧壁来合成CNT/O-Gr前体。为了制备N-CNT/ CNRs-1600，将获得的CNT/O-Gr前体与尿素进行水热退火以实现N掺杂，随后进行热处理以增强其电化学活性，制备流程图如图1所示：
通过超声处理将1g MWCNT悬浮在30mL浓H2SO4中，并在室温下搅拌12h。随后，在冰水浴中将5g KMnO4逐渐添加到混合物中，然后在室温下搅拌1h。然后将混合物移至65℃的油浴中30分钟。将溶液在冰水中淬灭，将100mL的冰水和5mL的 H2O2(30重量％)缓慢倒入混合物中。之后，将混合物在室温下放置24小时。最后，将混合物离心并用HCl(1：10)和去离子水洗涤。将产物冻干以获得CNT/O-Gr前体。将0.3g CNTs/O-Gr前驱物分散在50mL去离子水中，并与9g尿素混合。超声处理并搅拌30分钟后，将悬浮液转移到密封的200mL高压釜中，并在180℃下加热12h；冷却至室温后，将混合物用去离子水洗涤并在60℃下干燥以获得N-CNT/CNR。最后，将N-CNTs/CNRs在1600℃的管式炉中在氩气保护下进行热退火，以增强其电化学活性。
本实施例中，N-CNTs/CNRs-1600催化剂的合成程序包括两个主要步骤：部分将MWCNTs解压缩，以及通过水热和随后的热处理进行N掺杂。图2显示了CNTs(图 2(a))，N-CNTs/CNRs-1600复合材料(图2(b)和图2(c))的SEM图像，可以看出，CNT由直径为20nm的交联的一维纳米结构组成，经过一定时间的化学解压缩过程后，纵向切割了MWCNT的侧壁，直径从20nm增加到50nm，形成细长的纳米带结构。图3的TEM图像显示出原始的MWCNTs(图3(a))是典型的一维纳米结构。虽然反应后碳纳米结构的宽度显着增加，如图3(b)所示，但未观察到原始的MWCNTs 结构。从TEM图中可以看出，相邻石墨层的距离约为0.36nm，这是结晶石墨的特征。在边缘氧化后，MWCNT的侧壁可以完全展开，以产生带有大量边缘碳缺陷的石墨烯纳米带/碳纳米管复合结构。
CNT、N-CNT/CNR和N-CNT/CNR-1600的晶体结构通过X射线衍射(XRD)测量进行了评估(图4(a))。XRD图谱显示了在26°和43°处的两个主峰，分别对应于六角形石墨的(002)和(100)晶面。热处理后，N-CNTs/CNRs的半峰宽度在26°处变窄，并且衍射峰明显移至低角度，表明热处理后材料的层间距变大，从而降低了碳纳米管的石墨化程度。在1600℃退火后，N-CNTs/CNRs-1600的半峰宽恢复到初始水平，表明退火处理提高了N-CNTs/CNRs-1600的石墨化度，有利于提高碳纳米管材料的电导率。
如图4(b)所示，在1360cm-1(D波段)和1598cm-1(G波段)表现出两个宽带。G 波段和D波段显示出面内的存在sp2键合碳原子的振动和sp3键合碳原子的振动模式。前者反映石墨晶格中的无序和缺陷，而后者对应于有序的石墨状sp2碳原子。值得注意的是，CNT、N-CNT/CNRs和N-CNT/CNRs-1600的ID/IG峰强度比分别为0.95、1.1 和1.069，这表明氮原子的引入会导致碳纳米管中的一些缺陷。这可能是由于在对氮原子进行掺杂的水热处理过程中，材料的活性部位发生了变化。
进一步评估CNT和N-CNTs/CNRs和N-CNT/CNRs-1600的红外光谱(图4(c))。这些在3400、2839、1769、1121、1055cm-1处的峰对应于N-CNT/CNRs上的O-H， -CH2-，C＝O，C-OH和C-O基团的拉伸振动。此外，在1400和1250cm-1处有两个新峰，分别对应于C＝N和C-N拉伸振动。这两个峰主要是由于N原子掺杂到碳骨架中。值得注意的是，对于所有样品，在1600℃处理后，所有官能团的峰均减弱或消失，表明N-CNTs/CNRs-1600的结构在高温退火后发生变化，并且含氧官能团在热处理后被去除。
图4(d)显示了产品的宽扫描XPS光谱。C和O元素存在于CNT中。将CNT 解压缩并用尿素进行水热处理后，N-CNT/CNRs中存在N物种，O1s显着增强。在 1600℃下进一步退火后，N1s峰消失并且O1s峰显着减弱，这与红外结果一致，表明已除去N和O原子。图5和图6分别描绘了CNT、N-CNTs/CNRs和N-CNTs/CNRs-1600 样品的C1和O1的XPS光谱，结果表明，引入N原子可增强碳材料的缺陷。
图4(e)显示了样品的高分辨率N1s XPS光谱。可以看出，原始碳纳米管中没有氮。在用尿素对CNTs/O-Gr进行水热处理后，出现N-5、N-6和N-Q峰，表明成功地将N掺杂到碳骨架中。在1600℃的高温下进一步退火后，N个官能团消失。注意，在退火过程中去除N和O原子可能会在碳骨架中引起大量缺陷，从而导致缺陷碳含量很高。
通过N2等温吸附-脱附实验评价了CNTs和N-CNTs/CNRs-1600复合材料的表面积和孔结构。如图4(f)所示，根据IUPAC分类，等温线显示IV型吸附-解吸行为，并且在0.85至1.0的相对压力范围内具有较大的磁滞回线，这表明存在中孔和大孔。这些材料的比表面积(SSA)和孔体积分别使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法和 Barrett-Joyner-Halenda(BJH)模型估算。N-CNTs/CNRs-1600的SSA为318.6865m2g-1， CNTs为218.5952m2g-1，孔体积分别为0.56cm3 g-1和0.32cm3 g-1。这些结果表明，经过水热氮掺杂和高温退火后，碳材料的SSA可以增大。N-CNTs/CNRs-1600的高SSA 有利于酶的固定化。
为了进一步证明碳纳米管散布在石墨烯纳米带中具有良好的电子传递能力和电活性表面积，在铁氰化钾中测量了碳纳米管和N-CNTs/CNRs-1600的奈奎斯特阻抗和CV (图7和图8)。图7中的阻抗图由高频区域中的半圆和低频区域中的对角线组成。高频区域中的半圆表示电荷转移阻抗(Rct)，而低频区域中的斜线与电解质离子扩散有关(Li等，2017)。与CNTs/GCE相比，N-CNTs/CNRs-1600/GCE的Rct较小。因此，证明了作为载体材料的N-CNT/CNRs-1600具有良好的导电性并且可以增强电子转移的能力。图8显示了在5mM铁氰化钾(含0.1MKCl)溶液中CNTs/GCE和 N-CNTs/CNRs-1600/GCE的CV曲线，可以看出负载有载体材料N的GCE的峰值电流N-CNTs/CNRs-1600明显高于CNT的峰值电流。N-CNTs/CNRs-1600/GCE的电位差小于CNT/GCE的电位差，表明N-CNTs/CNRs-1600的极化更弱，可逆性更好(Li等，2019)。这些结果表明N-CNTs/CNRs-1600复合材料作为EBFCs的活性支撑电极的可行性。
实施例2、LOx/TTF/N-CNTs/CNRs-1600生物阳极的制备
使用0.5μm和0.03μm氧化铝粉的浆料依次抛光玻璃碳电极(GCE)，并分别在去离子水、乙醇和去离子水中分别超声处理3分钟，依次洗涤。然后通过循环伏安法(CV) 在5mM铁氰化物中电化学激活电极，直到CV曲线变为恒定。之后，将电极倾斜并用红外光干燥。为了制备生物阳极，需使用1μL BSA(10mg mL-1，在0.1M pH 7.2PBS 中制备)，2μL TTF(30mM，乙醇分散液)，4μL LOx(40mg mL-1，通过将其加入0.1M pH7.2 PBS中)(LOx用0.1M PBS(pH7.2)进行分散)和4μL N-CNTs/CNRs-1600(5mg mL-1，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)超声分散液)中混合。之后，将5μL上述混合物滴在清洁的上，然后在室温下干燥电极。所得电极表示为LOx/TTF/N-CNT/CNRs-1600/GCE。染色后，将2μL的Chit溶液在冰醋酸中(1wt％) 浇铸在电极上，以充当保护性和生物相容性层。
本发明首先测试了商业石墨烯，负载有LOx和TTF的碳纳米管的电化学性能。在CV测试期间，发现浅黄色物质从电极表面泄漏(图9)。在含有泄漏物质的电解质中使用GCE进行的CV显示一对氧化还原峰(图9(e))，对应于电解质中的TTF伏安特性曲线(图9(f))，表明泄漏物质为TTF。图10(a)显示了 LOx/TTF/N-CNTs/CNRs-1600生物阳极对其底物乳酸的催化活性。随着乳酸浓度的增加，催化电流增加。但是，当乳酸浓度增加到12mM时，催化电流几乎饱和(图10 (a))。该结果证明了酶对底物的催化特异性以及乳酸氧化电流对乳酸浓度的依赖性。从图中可以看出。由图10(b)可知，衬底的初始氧化电位为-0.02V(vs.Ag/AgCl)。如此低的乳酸氧化初始电位反映了有效的电子供体-受体TTF/N-CNTs/CNRs-1600相互作用，从而促进了酶的活性中心和电极表面之间的电子穿梭。通过密度泛函理论进一步证实了该吸附能力。图11示出了纯碳和缺陷碳在介体TTF上的吸附能。注意，低的吸附能量意味着强的吸附能力。缺陷石墨烯在TTF上的吸附能为-0.84eV；纯碳在TTF上的吸附能为-0.073eV，远低于缺陷碳在TTF上的吸附能，表明碳材料中的缺陷对极性分子TTF的吸附作用强。
生物阳极的催化电流密度主要取决于界面电子转移和酶反应过程。当载体材料与酶和介体混合以修饰GCE时，生物阳极的催化电流会受到负载的酶和介体催化浓度的影响，变化主要是由于溶液中乳酸的含量(3mM)是常数，电极上乳酸的氧化取决于酶，载体和介体的电催化过程。因此，系统地研究了酶修饰量和生物阳极中介体的浓度(图12和图13)。根据研究结果，当酶的修饰量为4μL时，乳酸的催化电流达到最大值，因此确定4μL LOx的修饰量为最佳值。对介体TTF浓度的相同优化表明，当介体浓度为30mM时，介导乳酸氧化的催化电流达到最大值，因此确定它是最佳介体浓度值。这些结果表明，吸附在碳电极表面的TTF可以有效介导LOx和 N-CNTs/CNRs-1600电极之间的电子转移。此行为可能归因于N-CNTs/CNRs-1600中酶和介体的高负载。
生物阳极的长期稳定性对其在生物燃料电池中的实际应用至关重要。稳定性主要受酶分子的易碎性质和固化的化学物质(例如酶和介体)泄漏的影响(Yasujima etal.2018)。图10示出了5天的计时电流法的结果。图10(c)示出了每天阳极催化电流的变化。显然，阳极催化电流在最近两天显着下降，这可能是由于酶活性的下降。在接下来的几天中，阳极的催化电流不会发生明显变化(图10(d))。在这5天中，生物阳极并未完全避免轻微退化，这可能是由于酶降解或电隔离引起的(Yasujima et al.2018)，5天后，生物阳极的催化电流仍保持在初始电流的50％左右输出。
实施例3、BOD/ABTS/N-CNTs/CNRs-1600生物阴极的制备
将0.5mL 0.1M PBS(pH7.2)缓冲液装入干净的离心管中，然后将 N-CNTs/CNRs-1600(2.5mg)和ABTS(4.9mg)的混合物加至PBS缓冲液中添加，并放置两天(Brunel等，2007)。随后，将混合物离心3次，并添加0.5mL的PBS。最后，将5μL的混合物浇铸在GCE上，并在红外光下干燥，然后浇铸5μL的10mg mL-1 BOD(由PBS制备，pH7.2)，最后浇铸3μL的Nafion乙醇溶液(1wt％)浇铸在电极上以充当保护性和生物相容性层。
图14(a)显示了BOD/ABTS/N-CNTs/CNRs-1600在不同气氛下的氧还原能力。显然，在N2饱和缓冲液的情况下，会产生一对明显的氧化还原峰，这是ABTS的典型电催化特征(Karnicka等，2008)。因此，证明了介体ABTS和支持材料被成功固定。接下来，随着氧气浓度的增加，可以观察到更大的氧气还原电流(从0.55V开始)，在负电位扫描过程中还原电流迅速增加，这表明ABTS是有效的电子传输介质。将材料固定在一起，从BOD活性中心和电极表面之间转移的电子效率更高，从而产生高的氧还原电流。这种修饰方法可首先应用于不带膜的可穿戴乳酸/O2生物燃料电池。
图14(b)显示了BOD/ABTS/N-CNTs/CNRs-1600生物阴极的计时电流法曲线。通过计时电流法测量，可以看出反应12小时后，电流密度基本保持不变，这也证明了 ABTS和BOD共同固定在N-CNTs/CNRs-1600上的可行性。为了证明ABTS是否从电极泄漏并溶解到缓冲液中，使用三电极系统在缓冲液上进行CV(S9)，稳定性测试后， GCE在电解质溶液中未显示介体ABTS的氧化还原峰。相反，可以看出，在含有5mM ABTS的0.1M PBS缓冲溶液(pH 7.2)中，可以检测到一对明显的氧化还原峰。因此，结果也表明了将ABTS和BOD共同固定在N-CNTs/CNRs-1600上的可行性。
实施例4、单室乳酸/O2生物燃料电池
以实施例2制备的LOx/TTF/N-CNTs/CNRs-1600 GCE和实施例3制备的 BOD/ABTS/N-CNTs/CNRs-1600/GCE分别用作生物阳极和生物阴极，组装在0.1M pH 7.2缓冲溶液中，得到单室乳酸/O2生物燃料电池，其结构示意图如图15所示。
分别在0.1M PBS(pH 7.2)和人工泪液中以乳酸相对浓度(3mM)评估无膜乳酸 /O2BFC的性能。具有TTF/LOx修饰的生物阳极和具有ABTS/BOD修饰的生物阴极均用于不带膜的BFC中。两个电极均使用面积为0.07cm2的玻璃碳电极。以LOx为阳极酶，在TTF的介导下，乳酸被氧化为丙酮酸，而BOD被用作阴极酶，而ABTS被共固定在电极表面以还原氧气。组装电池的LSV曲线和功率输出曲线如图16(a)所示。电池的开路电位为0.62V，最大功率密度为70.7μW cm-2。图16(b)以合成眼泪显示了电池的功率测试。开路电势为0.58V，最大功率密度为18.6μW cm-2，并且通过恒流放电测试了两种乳酸/O2生物燃料电池的稳定性。图16(c)和图16(d)显示，当给出恒定电流值(0.02mA cm-2)时，乳酸/O2生物燃料电池在0.1M PBS pH7.2和人工泪液中的放电时间分别为7小时和2.3小时。在合成眼泪中，乳酸/O2生物燃料电池的放电时间相对较短。可能的原因是眼泪中含有其他物质，这些物质会干扰电极的及时性。
本发明成功地合成了碳纳米管散布在石墨烯纳米带中的三维碳复合材料。制备的N-CNTs/CNRs-1600复合材料具有缺陷多，比表面积大的优点。N-CNTs/CNRs-1600复合材料用作酶双固定化的支撑材料和EBFC应用的相应介体，显示出优异的电化学性能。此外，DFT计算揭示了缺陷碳与介体TTF之间存在强吸附相互作用。组装的无膜乳酸/O2 EBFC分别具有高性能，在PBS缓冲液中的开路电势为0.62V，功率密度为70.7μWcm-2，在合成泪液中的开路电压和功率密度分别为0.58V和18.6μWcm-2。在合成泪液中使用单酶系统的乳酸/O2 EBFC中，这也是最高的性能。本发明提供了一种新颖的支撑材料，并为构建用于生物电子应用的高性能生物电极提供了双重固定策略，这在可穿戴设备中具有重要的用途。

Claims (10)

1.一种富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将多壁碳纳米管分散于浓H2SO4中，然后在冰水浴的条件下加入KMnO4；
S2、将步骤S1得到的混合物加热至55～75℃保持10～30min，淬灭后静置；
S3、将步骤S2得到的混合物进行离心，所得产物经冻干得到CNT/O-Gr前体；
S4、将所述CNT/O-Gr前体分散于水中，加入尿素后，置于高压釜中进行水热反应，所得产物经干燥得到N-CNTs/CNRs；
S5、将所述N-CNTs/CNRs于惰性气氛中进行热退火，即得所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述多壁碳纳米管、所述浓H2SO4与所述KMnO4的配比为：1g：20～50mL：3～7g；
加入所述KMnO4后于室温下搅拌30min～90min；
步骤S2中，采用冰水进行猝灭；
于室温下静置12～48h；
步骤S4中，所述CNT/O-Gr前体与所述尿素的质量比为1：10～50；
加入所述尿素后于超声条件下搅拌10～30min后再进行所述水热反应；
所述水热反应的温度为160～200℃，时间为8～12h；
步骤S5中，于管式炉中进行所述热退火；
所述热退火的温度为1200～1600℃。
3.权利要求1或2所述方法制备的富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料。
4.权利要求3所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料作为支撑材料在制备生物阳极、生物阴极和生物燃料电池中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：所述生物阳极为乳酸氧化酶/四硫富瓦烯生物阳极，乳酸氧化酶和四硫富瓦烯均固定在所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料上；
所述生物阴极为胆红素氧化酶/2,2'-二叠氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸生物阴极，胆红素氧化酶和2,2'-二叠氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸均固定在所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料上；
所述生物燃料电池为由所述生物阳极和所述阴极形成的单室乳酸/O2生物燃料电池。
6.一种生物阳极的制备方法，包括如下步骤：
将四硫富瓦烯、乳酸氧化酶、权利要求3所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料的混合液滴加至导电电极上，经干燥即得。
7.权利要求6所述方法制备的生物阳极。
8.一种生物阴极的制备方法，包括如下步骤：
将权利要求3所述富含缺陷的N-CNTs/CNRs复合材料和2,2'-二叠氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸的混合液滴加至导电电极上，进行干燥；然后浇铸胆红素氧化酶的溶液即得。
9.权利要求8所述方法制备的生物阴极。
10.一种无膜乳酸生物燃料电池，其特征在于：所述无膜乳酸生物燃料电池的阳极为权利要求7所述生物阳极，阴极为权利要求9所述生物阴极，电解质为含有乳酸的缓冲溶液。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114927709A (zh) * 2022-05-25 2022-08-19 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104817075A (zh) * 2015-04-17 2015-08-05 重庆大学 一种高度分散的氧化石墨烯纳米带液的制备方法
CN105197909A (zh) * 2015-09-24 2015-12-30 复旦大学 一种石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺基复合碳气凝胶及其制备方法
CN112573513A (zh) * 2020-12-28 2021-03-30 江苏师范大学 一种具有高类过氧化物酶活性的氮硼共掺杂石墨烯纳米带材料及其制备方法
CN113012949A (zh) * 2021-03-01 2021-06-22 内蒙古科技大学 一种高比电容的MWCNTs-GONRsCo-Ni LDH电极的制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104817075A (zh) * 2015-04-17 2015-08-05 重庆大学 一种高度分散的氧化石墨烯纳米带液的制备方法
CN105197909A (zh) * 2015-09-24 2015-12-30 复旦大学 一种石墨烯纳米带/碳纳米管/聚酰亚胺基复合碳气凝胶及其制备方法
CN112573513A (zh) * 2020-12-28 2021-03-30 江苏师范大学 一种具有高类过氧化物酶活性的氮硼共掺杂石墨烯纳米带材料及其制备方法
CN113012949A (zh) * 2021-03-01 2021-06-22 内蒙古科技大学 一种高比电容的MWCNTs-GONRsCo-Ni LDH电极的制备方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AYUMU NIIYAMA等: "High-performance enzymatic biofuel cell based on flexible carbon cloth modified with MgO-templated porous carbon", 《JOURNAL OF POWER SOURCES》 *
LONGFEI XUE等: "Zigzag carbon as efficient and stable oxygen reduction electrocatalyst for proton exchange membrane fuel cells", 《NATURE COMMUNICATIONS》 *
YU-CHEN LIU等: "Core-shell structured multiwall carbon nanotube-graphene oxide nanoribbon and its N-doped variant as anodes for high-power microbial fuel cells", 《SUSTAINABLE ENERGY & FUELS》 *
장연청等: "젖산 연료전지용 효소전극 제작 및 특성 분석", 《KOREAN CHEM. ENG. RES.》 *
郭满栋: "四硫富瓦烯介体乳酸氧化酶电极的研制", 《化学传感器》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114927709A (zh) * 2022-05-25 2022-08-19 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用
CN114927709B (zh) * 2022-05-25 2024-05-07 中国人民解放军军事科学院军事医学研究院 一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用

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