一種甘油催化生物燃料電池陽極及其制備方法與應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學生物燃料電池領域，具體涉及一種甘油催化生物燃料電池陽極及其制備方法與應用。
【背景技術】
[0002]生物燃料電池是一種以生物發(fā)電方式將生物能和化學能轉化為電能的裝置，其系統(tǒng)中至少有一部分是以微生物組織或酶為電池反應催化劑。生物燃料電池按催化方式的不同可分為兩類:一類是酶生物燃料電池，即直接利用從生物體中分離出來的不同氧化還原酶作為催化劑；另一類是微生物燃料電池，使用整體微生物作為催化劑，實際上是間接利用微生物體內的酶。
[0003]研究發(fā)現(xiàn)，酶電極具有很高的催化活性，與傳統(tǒng)的以Pt等貴金屬為催化電極的燃料電池相比，具有以下特點:(1)酶電極具有很高的選擇性和專一性，故催化效率比較高；(2)原料來源廣泛，可以利用多種天然有機物作為燃料，還可以利用傳統(tǒng)燃料電池不能利用的各種無機物、有機物及微生物呼吸的代謝產物、光合作用產物、發(fā)酵產物甚至污水等作為燃料；(3)工作條件溫和，一般都在近中性的常溫常壓下運行。
[0004]目前，制約酶生物燃料電池發(fā)展的關鍵問題有兩個:(1)輸出功率(輸出電流、電壓)低。人們普遍認為酶電極的電子傳遞過程是限制酶生物燃料電池輸出功率的關鍵因素，這與電極材料和酶本身的結構有關。大多數(shù)酶由于蛋白質外殼的屏蔽作用，很難實現(xiàn)與電極之間的直接電子轉移過程。雖然引入電子介體為電子的傳遞提供了有效通道，但其綜合結果還遠遠達不到實際應用的要求。因此，利用各種途徑(如加入納米顆粒、導電聚合物等對酶電極進行修飾)實現(xiàn)酶與電極之間的直接電子傳遞過程是提高輸出功率的重要手段。另外，電極表面酶的負載量低也是導致輸出功率低的重要因素，所以增加酶催化劑在電極表面的固定量也是提高輸出功率的重要方法。(2)電池壽命短。影響使用壽命的關鍵因素就是酶催化劑本身的穩(wěn)定性。酶是一種有催化能力的蛋白質，它的活性很容易受環(huán)境因素(如溫度、PH、溶液中離子的組成與濃度等)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，一般天然酶在溶液中的半衰期只有7_8h，但如果將其固定化，壽命可長達45天左右。因此，采用各種固定化技術將酶催化劑固定在電極表面是提高使用壽命的重要途徑。綜合而言，提高性能的最有效途徑就是選擇適合酶催化劑的固定化方法和材料。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決以上現(xiàn)有技術的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種甘油催化生物燃料電池陽極。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述甘油催化生物燃料電池陽極的制備方法。
[0007]本發(fā)明的再一目的在于提供上述甘油催化生物燃料電池陽極在制備生物燃料電池或生物傳感器中的應用。
[0008]本發(fā)明目的通過以下技術方案實現(xiàn):
[0009]—種甘油催化生物燃料電池陽極，所述陽極是以基底電極為中心，由內到外依次為介體層和酶層。
[0010]優(yōu)選地，所述的基底電極是指玻碳電極。
[0011]所述介體層的材料優(yōu)選為Naf1n膜固定的麥爾多拉藍(MB)。
[0012]優(yōu)選地，所述的酶層由石墨烯殼聚糖、乙醇脫氫酶(ADH)、乙醛脫氫酶(AldDH)和辣根過氧化物酶組成。
[0013]上述甘油催化生物燃料電池陽極的制備方法，包括以下制備步驟:
[0014](1)對基底電極進行表面預處理；
[0015](2)將Naf1n溶液滴加到預處理后的基底電極表面，待溶劑揮發(fā)后形成一層Naf1n膜；然后把此電極插入麥爾多拉藍水溶液中浸泡，使麥爾多拉藍通過離子交換固定到Naf1n膜中；將電極取出后洗凈、干燥，得到含有介體層的電極；
[0016](3)將含石墨烯的殼聚糖溶液、乙醇脫氫酶水溶液、乙醛脫氫酶水溶液及辣根過氧化物酶水溶液按比例混合均勻得復合酶溶液，然后將復合酶溶液滴加到步驟(2)的電極上表面，晾干后得到甘油催化生物燃料電池陽極。
[0017]優(yōu)選地，步驟(1)中所述的表面預處理過程如下:將基底電極的表面依次用直徑為0.3 μπι和0.05 μπι的Α1203粉末拋光成鏡面，再用水沖洗；然后依次在無水乙醇和水中超聲清洗lmin，取出用水洗凈，晾干，然后置于0.5mol/L的H2S04S液中進行電極活化。
[0018]優(yōu)選地，步驟(2)中所述的Naf1n溶液是指Naf1n的質量分數(shù)為5%的甲醇溶液；所述麥爾多拉藍水溶液的濃度為0.lmmol/L ;所述的浸泡的時間為2h。
[0019]優(yōu)選地，步驟(3)中所述含石墨烯的殼聚糖溶液通過以下方法制備:在質量分數(shù)為0.5%?2%的殼聚糖醋酸溶液中加入石墨烯，超聲分散1?2h，得到石墨烯濃度為1?5mg/mL的含石墨稀的殼聚糖溶液。
[0020]優(yōu)選地，所述乙醇脫氫酶水溶液的濃度為20?30mg/mL ；乙醛脫氫酶水溶液的濃度為20?30mg/mL ;辣根過氧化物酶水溶液的濃度為10?20mg/mL。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述的含石墨烯的殼聚糖溶液、乙醇脫氫酶水溶液、乙醛脫氫酶水溶液和辣根過氧化物酶水溶液的體積比為1:1:1:1。
[0022]上述甘油催化生物燃料電池陽極在制備生物燃料電池或生物傳感器中的應用。
[0023]本發(fā)明的原理:本發(fā)明首先是制備Naf1n-麥爾多拉藍修飾玻碳電極，然后將含石墨烯的殼聚糖溶液、乙醇脫氫酶水溶液、乙醛脫氫酶水溶液、辣根過氧化物酶水溶液混合均勻；再利用殼聚糖的包埋作用，將乙醇脫氫酶、乙醛脫氫酶和辣根過氧化物酶包埋起來，并利用石墨烯的載體特性，負載更多的酶，以利于對底物的催化；最后，取適量混合液滴于Naf1n-麥爾多拉藍修飾玻碳電極表面上，得到修飾后的工作電極即低成本高性能酶生物燃料電池復合生物陽極。本發(fā)明所使用的麥爾多拉藍是一種良好的電子傳遞體，經浸泡離子交換后形成膜穩(wěn)定性好，不易流失，且具有快速傳遞電子的能力，能夠實現(xiàn)電子的間接轉移。本發(fā)明的電極催化氧化甘油的原理圖如圖1所示。
[0024]本發(fā)明的制備方法及所得到的產物具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0025](1)本發(fā)明的生物燃料電池陽極通過加入石墨烯并通過特定的制備方法，可提高酶的負載量，有利于酶對底物的催化作用，產生更多的電子，同時也增加了介體的負載量，較高的介體負載量能將產生電子進行良好的轉移，實現(xiàn)酶與電極之間的電子傳遞，減少了介體和酶的脫落對電池的功率性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性的影響；
[0026](2)本發(fā)明的制備方法成本較低、容易制備(反應在室溫中性環(huán)境)、催化性能好(在實施例中可看到明顯的氧化還原峰變化)等優(yōu)點；
[0027](3)本發(fā)明的生物燃料電池陽極對底物的氧化在中性pH條件下進行，所用的底物為自然界中廣泛存在的物質，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的電極催化氧化甘油的原理圖；
[0029]圖2為本發(fā)明實施例1的甘油催化生物燃料電池陽極與未修飾的玻碳電極的循環(huán)伏安圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實施例1的甘油催化生物燃料電池陽極在未加入甘油和加入0.5mM甘油的循環(huán)伏安圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0032]實施例1
[0033](1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3 μ m和0.05 μ m的A1203粉末拋光成鏡面，用蒸餾水沖洗，然后依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗lmin，再將玻碳電極置于0.5mol/L的H2S04溶液中進行電極活化，取出用蒸餾水沖洗，晾干得到預處理的玻碳電極；
[0034](2)吸取6 μ L質量分數(shù)為0.5%的Naf1n甲醇溶液滴加到預處理玻碳電極表面，在室溫下放置約1.5h，電極表面上的溶劑揮發(fā)后形成一層Naf1n膜；然后把此電極插入含有0.lmmol/L麥爾多拉藍水溶液(將3.8mg麥爾多拉藍加入到100mL蒸餾水中配制得到)中浸泡，使麥爾多拉藍通過離子交換固定到Naf1n膜中；離子交換完成后，把電極取出用二次蒸餾水洗凈，干燥，得到含有介體層的電極；
[0035](3)將含石墨烯的殼聚糖溶液(lmg/mL)、乙醇脫氫酶水溶液(30mg/mL，稱取乙醇脫氫酶(Sigma) 1860U(310U/mg)，加入0.2mL蒸餾水配制得到)、乙醛脫氫酶水溶液(30mg/mL，稱取乙醛脫氫酶(Sigma) 5.4U(0.9U/mg)，加入0.2mL蒸餾水配制得到)及辣根過氧化物酶水溶液(20mg/mL，稱取辣根過氧化物酶(Roche M0040) 1000U (250U/mg)，加入0.2mL蒸餾水配制得到)按1:1:1:1的體積比混合均勻得復合酶溶液，取復合酶溶液5 μ L滴加到步驟(2)的電極表面，室溫晾干，得到甘油催化生物燃料電池陽極。
[0036]本實施例所使用的含石墨烯的殼聚糖溶液通過以下方法制備:稱取0.03g殼聚糖(T0060，DAC ^ 95% )加入到3mL濃度為0.lmol/L的醋酸溶液中，得質量分數(shù)為1%的殼聚糖醋酸溶液；取lmL上述質量分數(shù)為1%的殼聚糖醋酸溶液，加入lmg石墨烯，超聲分散2h，得到石墨稀濃度為lmg/mL的含石墨稀的殼聚糖溶液。
[0037]本實施例的甘油催化生物燃料電池陽極性能測試采用標準三電極體系:本實施例得到的生物燃料電池陽極(GCE，直徑為3_)為工作電極，鉑電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極，室溫下進行電化學試驗，并用未修飾的玻碳電極進行對比，結果如圖2所示，實線代表本實施例所制備的工作電極在pH為7.0的磷酸緩沖溶液中，空氣飽和狀態(tài)下的循環(huán)伏安(CV)圖，虛線代表未修飾的玻碳電極的循環(huán)伏安圖。從圖2可以看出，當掃描速度不太大時，得到有明顯氧化還原峰的CV圖，表明固定在Naf1n膜中的MB有很好的氧化還原反應可逆性，并且氧化峰和還原峰電位之差Δ Vp小于80mV，這表明膜中的MB能快速地和玻碳電極交換電子。
[0038]本實施例的甘油催化生物燃料電池陽極在未加入甘油和加入0.5mM甘油的循環(huán)伏安圖如圖3所示，其中，實線代表本實施例所制備的工作電極在pH為7.0的磷酸緩沖溶液中，空氣飽和狀態(tài)下，甘油濃度為0.5mM時的循環(huán)伏安曲線，虛線代表未加甘油時的循環(huán)伏安曲線