TW201643275A - 葉綠素拓印電極的製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種葉綠素拓印電極的製備方法，包含提供一拓印溶液，該拓印溶液係包含葉綠素、一乙烯乙烯醇共聚合物及二甲基亞碸；將該拓印溶液塗佈於一電極，並以至少一拓印基板覆蓋該拓印溶液；加熱該拓印溶液，以於該電極表面形成一薄膜；及移除該至少一拓印基板，以獲得一葉綠素拓印電極。藉此，所製得之該葉綠素拓印電極係可以用於組裝葉綠素電池，達到提供環保能源之功效。
Description
本發明係關於一種電極的製備方法，特別係關於一種葉綠素拓印電極的製備方法。
近年來，由於石油價格逐步上升，替代能源的發展逐漸受到重視，特別是各種生物能源。雖然玉米酒精等生物能源可以取代石油，但仍會在燃燒時產生大量二氧化碳而造成地球暖化，甚或導致全球性的食物價格提升。因此，科學家致力於發展使用時不會產生二氧化碳的能源，例如開發以葉綠素作為電解質之電池。
葉綠素於光照環境下會進行光合作用，並轉化為離子態葉綠素，而後可以輸出電子以產生電能，具有製備成為無二氧化碳污染的葉綠素電池之潛力。當以葉綠素作為電解液以組裝形成葉綠素電池時，葉綠素必須接近電池之陽極，方可以有效進行電子轉移，增進照光產生之電流量。惟，目前仍無適合之電極製備方法，能夠使葉綠素有效吸附於電極，進而提升電子轉移效率，以增加電能輸出。有鑑於此，實有必要提供一種葉綠素拓印電極的製備方法，以獲得一葉綠素拓印電極，該葉綠素拓印電極可以用於組裝葉綠素電池。
本發明係提供一種葉綠素電極的製備方法，其可以製造一葉綠素拓印電極，且該葉綠素拓印電極可以用於組裝形成葉綠素電池。
本發明提供一種葉綠素拓印電極的製備方法，包含：提供一拓印溶液，該拓印溶液係包含葉綠素、一乙烯乙烯醇共聚合物及二甲基亞碸；將該拓印溶液塗佈於一電極，並以至少一拓印基板覆蓋該拓印溶液；加熱該拓印溶液，以於該電極表面形成一薄膜；及移除該至少一拓印基板，以獲得一葉綠素拓印電極。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物係以莫耳百分率計為27~44%之乙烯單體及56~73%之乙烯醇單體共同聚合而製得。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物係以莫耳百分率計為44%之乙烯單體及56%之乙烯醇單體共同聚合而製得。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：將該乙烯乙烯醇共聚合物溶於該二甲基亞碸以獲得一乙烯乙烯醇共聚合物溶液；及將該葉綠素混合該乙烯乙烯醇共聚合物溶液。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物溶液係包含以重量百分比計為0.1~25%之該乙烯乙烯醇共聚合物及75~99.9%之該二甲基亞碸。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物溶液係包含以重量百分比計為0.1%之該乙烯乙烯醇共聚合物及99.9%之該二甲基亞碸。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：以該二甲基亞碸萃取一含有葉綠素之植物；及於萃取有該葉綠素之該二甲基亞碸中加入該乙烯乙烯醇共聚合物。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：將該乙烯乙烯醇共聚合物溶於該二甲基亞碸以獲得一乙烯乙烯
醇共聚合物溶液；及以該乙烯乙烯醇共聚合物溶液萃取一含有葉綠素之植物。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該至少一拓印基板的數量為數片，該數片拓印基板共同覆蓋該拓印溶液。
本發明之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：將該乙烯乙烯醇共聚合物溶於該二甲基亞碸以獲得一乙烯乙烯醇共聚合物溶液；及以該乙烯乙烯醇共聚合物溶液萃取一含有葉綠素之植物，該乙烯乙烯醇共聚合物係以莫耳百分率計為27~44%之乙烯單體及56~73%之乙烯醇單體共同聚合而製得，且該乙烯乙烯醇共聚合物溶液係包含以重量百分比計為0.1~25%之該乙烯乙烯醇共聚合物及75~99.9%之該二甲基亞碸。
本發明使用包含該聚乙烯乙烯醇共聚合物、二甲基亞碸及葉綠素之該拓印溶液，將該拓印溶液塗佈於該電極並以該拓印基板覆蓋該拓印溶液，加熱該拓印溶液以形成該薄膜附著於該電極，並移除該拓印基板，以製造該葉綠素拓印電極。藉此，該葉綠素拓印電極可以浸泡於葉綠素電解液並吸附葉綠素，故而可以作為葉綠素電池之陽極，達成提供環保能源之功效。
此外，由於該葉綠素拓印電極之表面孔洞符合葉綠素之結構，使葉綠素電解液能夠進入該薄膜之孔洞，提升葉綠素之吸附量，使葉綠素聚集於該葉綠素電極處，促進電子傳遞效率，達成提升輸出電壓之功效。
再且，由於該乙烯乙烯醇共聚合物溶液具有良好成膜性質，故而本發明所製造之葉綠素拓印電極結構穩定，能夠吸附葉綠素，可以多次使用，達成提升使用壽命及可回收再利用之功效。
第1圖：第A1、A2組拓印溶液之葉綠素可見光光譜。
第2圖：第B1~B4及C1~C4組之葉綠素再吸附量長條圖。
第3圖：第D1~D8及E1~E8組之葉綠素再吸附量長條圖。
第4圖：以第D1、E1組作為陽極組裝電池之電壓-電流圖。
第5圖：以第D1、E1組作為陽極組裝電池之功率-電流圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明係關於一種葉綠素拓印電極的製備方法，包含提供一拓印溶液，該拓印溶液包含葉綠素、一乙烯乙烯醇共聚合物及二甲基亞碸；將該拓印溶液塗佈於一電極，以至少一拓印基板覆蓋該拓印溶液；並加熱該拓印溶液，以於該電極表面形成一薄膜，續移除該拓印基板以獲得一葉綠素拓印電極。該薄膜具有符合葉綠素結構之孔洞，因此，當該葉綠素拓印電極浸泡於一葉綠素電解液時，該葉綠素電解液中之葉綠素能夠進入該薄膜之孔洞中，並吸附於該葉綠素拓印電極。
詳而言之，上述之葉綠素係可以直接購買商品化之葉綠素粉末，或自行從植物中萃取而得，本發明不加以限制。該葉綠素係能夠以乾燥之形式使用，或預先溶於一溶劑中，例如溶於乙醇、丙酮中，續以溶液之形式進行後續步驟。於本實施例中，該葉綠素係直接自植物中萃取而得，較佳係選擇植物之葉片，其取得容易且葉綠素含量較高，例如選用綠色葉菜類之葉片。此外，另能夠直接以該二甲基亞碸作為萃取溶劑，自植物中萃取該葉綠素，以簡化製備流程。
該乙烯乙烯醇共聚合物(poly(ethylene-co-vinyl alcohol)，簡稱EVAL共聚合物)係由一乙烯(ether)單體及一乙烯醇(vinyl alcohol)
單體共同聚合而成，其係為一種非離子型的線性分子聚合物，生物相容性佳。其中，該乙烯單體為疏水性，而該乙烯醇單體具有親水性，故藉由調控該EVAL共聚合物中之該乙烯單體與該乙烯醇單體之比例，能夠調控其親疏水性，而影響葉綠素拓印效果。於本實施例中，該EVAL共聚合物係以莫耳百分率計為27~44%之乙烯單體及56~73%之乙烯醇單體共同聚合以製得。透過上述比例，能夠維持良好之成膜性質及優化葉綠素拓印效果，使完成後之該葉綠素拓印電極能夠吸附較多葉綠素，以照光產生較多電流。
本發明中，該拓印溶液係以該二甲基亞碸(dimethyl sulfoxide，簡稱DMSO)作為溶劑，其係能夠溶解該EVAL共聚合物，並使混合後之該拓印溶液呈透明狀，而使該葉綠素拓印電極具有高透光性，以利光合作用之進行。此外，DMSO另可以使該拓印溶液具有良好的成膜性質，僅需低溫加熱即可以完成拓印。再且，DMSO亦可以用於萃取該葉綠素。
詳而言之，製備該拓印溶液時，係可以先將該葉綠素混合於該DMSO以形成一葉綠素溶液(或直接以DMSO萃取植物之葉綠素以形成該葉綠素溶液)，續將該EVAL共聚合物溶於該葉綠素溶液，以獲得該拓印溶液。舉例而言，該EVAL共聚合物係可以於60℃之水浴下，以磁石緩速攪拌約8小時以溶解於該葉綠素溶液，待該EVAL共聚合物完全溶解後，即可以將該拓印溶液用於製備該葉綠素拓印電極。
或者，製備該拓印溶液時，另可以先將該EVAL共聚合物溶解於該DMSO以形成一乙烯乙烯醇共聚合物溶液，續將該葉綠素混合於該乙烯乙烯醇共聚合物溶液中。藉此，可以避免於溶解該EVAL共聚合物之過程中，因為長時間加熱而破壞葉綠素之結構。此外，該乙烯乙烯醇共聚合物溶液係以重量百分比計為0.1~25%之該EVAL共聚合物及75~99%之該DMSO。透過上述比例，能夠維持良好之透光度，並且使該葉綠素拓印
電極能夠吸附較多葉綠素。本實施例係於60℃之水浴下混合該EVAL共聚合物及該DMSO，並以磁石緩速攪拌約8小時，待該EVAL共聚合物完全溶解後，即可加入該葉綠素於該乙烯乙烯醇共聚合物溶液中，獲得該拓印溶液。
此外，另可以直接使用該乙烯乙烯醇共聚合物溶液自植物中萃取葉綠素，以獲得該拓印溶液，其製備成本較市售之葉綠素粉末低廉，且無須另以其他溶劑進行葉綠素之萃取，即於萃取後能夠直接進行拓印，達到簡化製程之功效。於本實施例中，係取菠菜、地瓜葉之菜葉經去離子水沖洗並乾燥粉碎，續浸入該乙烯乙烯醇共聚合物溶液中，靜置於暗處24小時進行萃取。
該電極係可以為任何材質及形式，例如石墨棒、碳網、不銹鋼片或白金網電極等。其中，該電極較佳係為平板狀，以利於該拓印溶液之塗佈。於本發明一實施例中，該電極係為一氧化銦錫(Indium Tin Oxide，簡稱ITO)薄片經濺鍍白金以製成，透過濺鍍方式可以較佳地控制該電極之導電範圍。
該至少一拓印基板係用於輔助該拓印溶液，使該拓印溶液於加熱時，可以固化形成表面平整、厚度均一之該薄膜，該拓印基板的材質較佳係為不與該拓印溶液發生反應且對該薄膜附著性較弱之材質，以利於在該薄膜形成後可以輕易移除，且不傷害該葉綠素拓印電極。該拓印基板可以為玻璃材質，並配合該電極之形狀及大小而設計，或者，當該電極為棒狀時，該至少一拓印基板可以為可撓材質，以符合使用需求。此外，另可以使用數片面積較小之拓印基板取代一大面積之拓印基板(即，將一拓印基板分切為數片面積較小之拓印基板)，並以該數片面積較小之拓印基板共同覆蓋該拓印溶液，使後續加熱該拓印溶液時，由於個別拓印基板之面積較小，而能夠使溫度均勻擴散，以幫助該拓印溶液固化，並於該電極表
面形成薄膜。
將製備完成之該拓印溶液塗佈於該電極，例如以塗刷之方式或以滴管滴加於該電極之表面，續以該至少一拓印基板覆蓋該拓印溶液，並加熱使該拓印溶液中之該DMSO揮發而形成薄膜。於本實施例中，係以6片拓印基板共同覆蓋該電極，並放入60℃之烘箱乾燥12小時。
加熱完成後，即可以將該拓印基板移除，以獲得該葉綠素拓印電極。例如於本實施例中，係以去離子水將該拓印基板自該葉綠素拓印電極之表面分離。而後，另可以使用重量百分濃度為0.1%之硫酸十二酯鈉(sodium dodecyl sulfate，簡稱SDS)溶液清潔該葉綠素拓印電極之表面，續以去離子水沖洗之。
本發明所選用之該EVAL共聚合物係可以包覆葉綠素，因此，在該拓印溶液乾燥並形成薄膜時，該EVAL共聚合物會將該葉綠素包覆於其中，而後於清洗過程或浸泡於該葉綠素電解液時，該葉綠素會脫離該薄膜，留下符合該葉綠素結構之孔洞。據此，當該葉綠素拓印電極浸泡於該葉綠素電解液時，該葉綠素電解液中之葉綠素可以進入該葉綠素拓印電極之孔洞。本發明之葉綠素拓印電極可以使用於電池之陽極，使葉綠素吸附於該葉綠素拓印電極，續進行光合作用產生電子以輸出電能。
為證實本發明製備之葉綠素拓印電極確實可以使用於組裝電池並輸出電能，遂進行下述實驗：
(A)該拓印溶液中的葉綠素活性測試
準備各0.001g之EVAL共聚合物及各10ml之DMSO作為第A1、A2組，該EVAL共聚合物係以莫耳百分率計為44%乙烯單體及56%乙烯醇單體共同聚合而成，另取菠菜葉以去離子水沖洗三次，續將菠菜葉乾燥備用。其中，第A1組係先以該DMSO自乾燥菠菜葉中萃取葉綠素，續混合該EVAL共聚合物以獲得該拓印溶液；第A2組則先將該EVAL共
聚合物溶於該DMSO中，續萃取該葉綠素以獲得該拓印溶液。上述二組該EVAL共聚合物之溶解條件皆為於60℃之水浴下緩速攪拌，且該葉綠素萃取之條件皆為加入1g之乾燥菠菜葉，並靜置於暗處24小時。
分別以可見光光譜儀測定第A1、A2組拓印溶液中之葉綠素吸光值，其結果如第1圖所示。由此可知，第A1、A2組之拓印溶液中皆仍保有具活性之葉綠素。因此，無論是先將該葉綠素混合於該DMSO中，或先將該EVAL共聚合物溶於該DMSO中，皆能夠維持該葉綠素之結構。其中又以第A2組更佳，其係先將該EVAL共聚合物溶於該DMSO中形成該聚乙烯乙烯醇共聚合物溶液，續進行葉綠素萃取，而能夠避免溶解該EVAL共聚合物時因長時間加熱而破壞該葉綠素之結構。
(B)EVAL共聚合物之乙烯單體與乙烯醇單體比例對葉綠素再吸附量之影響
選用具有不同乙烯單體與乙烯醇單體比率之EVAL共聚合物作為第B1~B4、C1~C4組，其所使用之乙烯單體及乙烯醇單體的莫耳百分率係如第1表所示。
同上述溶解條件，分別以第B1~B4及C1~C4組之EVAL共聚合物配製重量百分濃度為0.1%之乙烯乙烯醇共聚合物溶液。續分別將1g乾燥菠菜葉加入1ml之第B1~B4組乙烯乙烯醇共聚合物溶液進行萃取，以獲得第B1~B4組之拓印溶液，第C1~C4組則不進行葉綠素萃取以
作為對照。
取第B1~B4組之拓印溶液及第C1~C4組之乙烯乙烯醇共聚合物溶液分別製作該葉綠素拓印電極，係取4.5 x 2.6cm2之ITO軟板經濺鍍白金作為該電極，續將該拓印溶液或該乙烯乙烯醇共聚合物溶液滴加於該電極之表面，並以6片1.3 x 1.3cm2之玻璃片作為該拓印基板，共同覆蓋於該拓印溶液或該乙烯乙烯醇共聚合物溶液，保留該電極之邊緣作為導線連接之用。上述各組分別置於60℃之烘箱24小時，續以去離子水分離及移除該拓印基板，並經0.1%之SDS溶液、去離子水清洗備用。
測定上述第B1~B4及C1~C4組電極之葉綠素再吸附量，結果如第2圖所示。測定方法係為：將該葉綠素拓印電極分別完全浸入相同濃度且等量之葉綠素電解液中，使葉綠素再吸附後取出，以可見光光譜儀測定殘留葉綠素電解液之吸光強度以計算殘留之葉綠素含量，並以此推算該葉綠素拓印電極之葉綠素再吸附量。
由第2圖可見，第B1~B4組之葉綠素再吸附量皆較第C1~C4組高。由此可知，本發明透過使用該乙烯乙烯醇共聚合物溶液，確實可以拓印葉綠素，使該薄膜具有符合葉綠素結構之孔洞，並能夠於該葉綠素拓印電極浸泡於葉綠素電解液時，使該葉綠素電解液中之葉綠素進入該薄膜之孔洞，以提昇葉綠素之再吸附量。其中，該EVAL共聚合物係能夠以莫耳百分率計為27~44%之乙烯單體及56~73%之乙烯醇單體共同聚合而得，較佳係為第B4組，其係以莫耳百分率計為44%之乙烯單體及56%之乙烯醇單體共同聚合而得。
(C)EVAL共聚合物與DMSO之比例對葉綠素再吸附量之影響
另取包含以莫耳百分率計為44%之乙烯單體及56%之乙烯醇單體聚合而得的EVAL共聚合物，分別配製重量百分濃度為0.1%、0.5%、
1%、3%、5%、10%、15%、25%之該乙烯乙烯醇共聚合物溶液，做為第D1~D8組進行葉綠素萃取。另製備第E1~E8組之乙烯乙烯醇共聚合物溶液作為對照組，其濃度係分別與上述第D1~D8組相同。
以上述相同之方法，分別使用第D1~D8組之乙烯乙烯醇共聚合物溶液進行葉綠素萃取及葉綠素拓印電極製備；另第E1~E8組則不進行葉綠素萃取。同上述方法，測定第D1~D8及E1~E8組之葉綠素再吸附量，如第3圖所示。
由第3圖可見，本案透過使用該乙烯乙烯醇共聚合物溶液，確實可以拓印葉綠素，並能夠於該葉綠素拓印電極浸泡於葉綠素電解液時，提升葉綠素之再吸附量。其中，該乙烯乙烯醇共聚合物溶液之重量百分濃度係可以為0.1~25%，較佳係為第D1組，其係包含以重量百分比計為0.1%之EVAL共聚合物及99.9%之DMSO。
取第D1組之葉綠素拓印電極，以導線連接於該電極未經該拓印溶液覆蓋之邊緣，以銅膠帶固定，並以環氧樹脂包覆導線連接處。另取第E1組經上述相同方法連接導線，以作為對照組。分別將第D1、E1組作為陽極浸入葉綠素電解液中，以白金絲作為陰極置入脫鎂葉綠素電解液中，組裝電池並測定其極化曲線，結果如第4、5圖所示。
第4圖係為上述第D1、E1組之電壓-電流圖，第5圖則為上述第D1、E1組之功率-電流圖。由圖可見，本發明之葉綠素拓印電極(第D1組)確實可以用於組裝葉綠素電池，且其電壓、功率之輸出皆較未拓印葉綠素之電極(第E1組)有大幅提升。
綜合上述，本發明使用包含該EVAL共聚合物、該DMSO及該葉綠素之該拓印溶液，將該拓印溶液塗佈於該電極並以該拓印基板覆蓋該拓印溶液，加熱該拓印溶液以形成該薄膜附著於該電極，並移除該拓印基板，以製造該葉綠素拓印電極。藉此，該葉綠素拓印電極可以浸泡於
葉綠素電解液並吸附葉綠素，故而可以作為葉綠素電池之陽極，達成提供環保能源之功效。
此外，由於該葉綠素拓印電極之表面孔洞符合葉綠素之結構，使葉綠素電解液能夠進入該薄膜之孔洞，提升葉綠素之吸附量，使葉綠素聚集於該葉綠素電極處，促進電子傳遞效率，達成提升輸出電壓之功效。
再且，由於該乙烯乙烯醇共聚合物溶液具有良好成膜性質，故而本發明所製造之葉綠素拓印電極結構穩定，能夠吸附葉綠素，可以多次使用，達成提升使用壽命及可回收再利用之功效。
雖然本發明已利用上述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (10)
- 一種葉綠素拓印電極的製備方法，係包含：提供一拓印溶液，該拓印溶液係包含葉綠素、一乙烯乙烯醇共聚合物及二甲基亞碸；將該拓印溶液塗佈於一電極，並以至少一拓印基板覆蓋該拓印溶液；加熱該拓印溶液，以於該電極表面形成一薄膜；及移除該至少一拓印基板，以獲得一葉綠素拓印電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物係以莫耳百分率計為27~44%之乙烯單體及56~73%之乙烯醇單體共同聚合而製得。
- 如申請專利範圍第2項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物係以莫耳百分率計為44%之乙烯單體及56%之乙烯醇單體共同聚合而製得。
- 如申請專利範圍第1~3項中任一項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：將該乙烯乙烯醇共聚合物溶於該二甲基亞碸以獲得一乙烯乙烯醇共聚合物溶液；及將該葉綠素混合該乙烯乙烯醇共聚合物溶液。
- 如申請專利範圍第4項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物溶液係包含以重量百分比計為0.1~25%之該乙烯乙烯醇共聚合物及75~99.9%之該二甲基亞碸。
- 如申請專利範圍第5項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該乙烯乙烯醇共聚合物溶液係包含以重量百分比計為0.1%之該乙烯乙烯醇共聚合物及99.9%之該二甲基亞碸。
- 如申請專利範圍第1~3項中任一項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：以該二甲基亞碸萃取一含有葉綠素之植物；及於萃取有該葉綠素之該二甲基亞碸中加入該乙烯乙烯醇共聚合物。
- 如申請專利範圍第1項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：將該乙烯乙烯醇共聚合物溶於該二甲基亞碸以獲得一乙烯乙烯醇共聚合物溶液；及以該乙烯乙烯醇共聚合物溶液萃取一含有葉綠素之植物。
- 如申請專利範圍第1項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，該至少一拓印基板的數量為數片，該數片拓印基板共同覆蓋該拓印溶液。
- 如申請專利範圍第1項所述之葉綠素拓印電極的製備方法，其中，提供該拓印溶液係包含：將該乙烯乙烯醇共聚合物溶於該二甲基亞碸以獲得一乙烯乙烯醇共聚合物溶液；及以該乙烯乙烯醇共聚合物溶液萃取一含有葉綠素之植物，該乙烯乙烯醇共聚合物係以莫耳百分率計為27~44%之乙烯單體及56~73%之乙烯醇單體共同聚合而製得，且該乙烯乙烯醇共聚合物溶液係包含以重量百分比計為0.1~25%之該乙烯乙烯醇共聚合物及75~99.9%之該二甲基亞碸。
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| TWI563126B (en) | 2016-12-21 |
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