专利名称：一种高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极及其制备方法。
背景技术：
酶型生物燃料电池，作为当前国际上的研究热点之一(Yan et al.， Carbon-Nanotube-Based Glucose/02Biofuel Cells. Adv. Mater. 2006，18，2639-2643)，其 在活体可植入式设备电源、微型传感装置电源等领域有着广泛的潜在应用前景。但是，由于 使用酶作为催化剂，当前酶型生物燃料电池很难用于实际的溶液体系(如生理体液环境)。
禾口H旦 工(Mano et al. Characteristics of a MiniatureCompartment-Iess Glucose-O2Biofuel Cell and Its Operation in a Living Plant. J. Am. Chem. Soc. 2003，125,6588-6594)是目前两种备受关注的酶型生物燃料电池氧气阴极生物催化 剂(Soukharev et al. A Four-Electron O2-Electroreduction BiocatalystSuperior to Platinum and a Biofuel Cell Operating at 0.88V. J. Am. Chem. Soc. 2004,126, 8368-8369)。其中，漆酶具有式电位高、催化效率高的特点，但是，其只能在弱酸性环境中 保持生物催化活性，并且，其生物活性易受氯离子等的影响；胆红素氧化酶虽然能够在中性 溶液中保持生物催化活性，然而，其还原氧气时式电位较低，并且，其生物活性容易受到尿 酸等物质的影响。同时，这些基于氧气还原的生物阴极的性能往往受到溶液中易氧化物质 (如抗坏血酸等)的影响。首先，这些易氧化物质能够通过酶催化反应，降低氧气生物电 化学催化还原的效率；其次，易氧化物质通过直接电化学氧化反应，降低氧气阴极的输出电 压。迄今为止，尚没有合适的技术手段能够克服上述各种物质对于生物燃料电池阴极性能 的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极及其制备方法。本发明所提供的生物燃料电池阴极，包括基底电极、涂敷于所述基底电极上的碳 纳米材料层、涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层以及覆盖于所述酶层上的疏水离子液体 层；其中，所述酶层包括下述a)或b)的物质a)漆酶，b)经交联剂交联的漆酶。在所述碳纳米材料层中，基底电极上碳纳米材料的含量为每平方厘米20-100yg; 所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球中的一种；所述碳纳米纤维和碳纳米 管的直径为1 lOOnm，优选为1 50nm，平均长度为0. 5 50 μ m，优选为0. 5 20 μ m ； 所述碳纳米球的直径为50 500nm。在所述酶层中，所述漆酶相对每平方厘米基底电极的含量为2-150U。为了增加酶层的稳定性还可选用交联剂进行酶之间的固定，所述的交联剂具体可 为戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐或双偶氮苯，优选为戊二醛。以戊二醛为例，相对于每平方 厘米基底电极上使用质量分数为1-5 %的戊二醛溶液0. 5-4 μ 1。在所述疏水离子液体层中，所述疏水离子层的厚度为0. 3-2cm ；所述疏水离子液体为1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸、2-乙基咪唑六氟磷酸、2-丙基咪唑六氟磷酸、2-乙 基-4-甲基咪唑六氟磷酸和2-苯基咪唑六氟磷酸中的一种，优选为1- 丁基-3-甲基咪唑 六氟磷酸。本发明所提供的制备上述高抗干扰性酶型生物燃料电池电极的方法，包括以下步 骤1)将碳纳米材料分散于有机溶剂中进行超声处理，得到碳纳米材料悬浊液，将所 述悬浊液涂敷于基底电极上，干燥，形成碳纳米材料层；2)将含有下述a)或b)的物质溶液涂敷于碳纳米材料层上，干燥后在碳纳米材料 层上形成酶层；所述a)为漆酶，所述b)为漆酶和交联剂；3)将疏水离子液体覆盖于酶层上，得到所述酶电极。其中，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球中的一种。所述步骤1)的有机溶剂具体可为二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷 酮，优选为二甲基甲酰胺。所述悬浊液中碳纳米材料的浓度为每毫升l_5mg。所述超声处理 进行的时间可为0. 1-2小时。本发明中，当所用的碳纳米材料为碳纳米纤维和碳纳米管时，在使用之前需对碳 纳米纤维和碳纳米管进行纯化以除去制备时的金属催化剂。当所用碳纳米材料为碳纳米球 时，可不经特殊处理直接使用。具体的纯化方法如下纯化时所用的酸为1 5M的硝酸或盐酸，温度为10 120°C，纯化时间1 10小时。本发明中所用的漆酶为纯化后的漆酶。为了增加漆酶的活性，可用有机溶剂对漆 酶进行活化，所述有机溶剂可为二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷酮，且这些 有机溶剂可与漆酶溶液混合形成质量分数为5 50%的混合液。本发明中利用碳纳米材料实现了漆酶的直接电化学，并得到了十分优异的催化结 果；利用疏水离子液体解决了交叉干扰问题，得到了在中性溶液中不受氯离子、抗坏血酸干 扰的漆酶阴极。本发明首先是通过将分散好的碳纳米材料涂敷于基底电极表面形成碳纳米材料 层作为实现漆酶直接电化学的高效媒介，然后将纯化后的漆酶经有机溶剂活化后涂敷于碳 纳米材料层上形成酶层，为了增加酶层的稳定性还可选用交联剂进行酶之间的固定，最后 将离子液体覆盖于酶层之上阻断多种离子或物质对漆酶的干扰，完成阴极的制备。该阴极在pH7的缓冲溶液中实现了漆酶对氧气的还原，结果类似于酸性溶液中无 离子液体时漆酶的氧还原数据，而且对抗坏血酸、氯离子等有很好的抗干扰性，可在这两种 干扰物质大量存在的情况下，获得与干扰物质不存在时类似的氧还原结果，说明该阴极在 中性环境中工作仍然能够正常工作；同时该阴极在PH 7溶液中催化氧还原有较高的稳定 性，50次循环后催化电流几乎没有变化。这样可以将漆酶的应用由偏酸性溶液移到接近实 际体系的中性溶液中。此外，漆酶的活性要优于胆红素氧化酶，且比较耐用，来源广泛，氧还 原电位高，因此中性溶液中漆酶直接电化学的实现为酶型生物燃料电池的研制提供了可能。
图1为高抗干扰性生物燃料电池阴极示意图；其中，1表示碳纳米纤维或碳纳米
4管，2表示碳纳米球，3表示漆酶，4斜线部分表示在酶层外用紧贴基底电极且有一定高度的 塑料容器固定的疏水离子液体层，高约0. 3 2cm，5表示基底电极。图2为实施例3制备的高抗干扰性生物燃料电池阴极氧还原循环伏安图。图3为实施例4中抗坏血酸影响下生物燃料电池阴极开路电位图。
具体实施例方式下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例1、漆酶的纯化将 50mg漆酶(Trametes Versicolor Ε. C. 1. 10. 3. 2,23. 76U/mg)溶于 500 μ L0. IM 磷酸缓冲溶液(ΡΗ6.0)并移至透析袋中，将此透析袋浸于新鲜的0. IM磷酸缓冲溶液 (ΡΗ6.0)中搅拌透析4小时，再移至另一新鲜0. IM磷酸缓冲溶液(ρΗ6.0)中搅拌4小 时，如此循环透析1-2天。然后向袋中溶液加入硫酸铵直至饱和，有沉淀析出，接着将此 悬浊液在5000转/分的转速下离心10分钟；将所得沉淀溶于大约500 μ L0. IM磷酸缓 冲溶液(ΡΗ6.0)，再以硫酸铵饱和，又有沉淀析出；再离心得到沉淀，并将所得沉淀溶于 300 μ L0. IM磷酸缓冲溶液(ΡΗ6. 0)装进透析管，在5000转/分的转速下离心浓缩5分钟， 所得浓缩液保存于冰箱中备用。实施例2、高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极的制备将3mg碳纳米球(中国科学院化学研究所合成，直径0.5 μ m，参考文献 Macromolecular Chemistry and Physics 207(18) 1633-1639)在 ImL 丙酮中连续超声 (超声强度约为lw/cm2，超声频率为40kHz) 20分钟，分散处理形成每毫升3mg的悬浊液，取 2μ L悬浊液涂敷于0. 07平方厘米的玻碳基底电极上，在空气中干燥，形成碳纳米材料层； 将纯化后所得 40 μ L浓度为 1000U/ml 漆酶(Trametes Versicolor Ε. C. 1. 10. 3. 2,23. 76U/ mg)与10 μ L丙酮混合得到含40U漆酶的混合液，取10 μ L上述漆酶混合液涂敷于碳纳米材 料层上，室温干燥即得酶层；然后在该基底电极上套塑料管，将1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷 酸(购自阿拉丁试剂(中国)有限公司，货号1124366)疏水离子液体倒入所述塑料管内覆 盖于酶层上，使酶层上的离子液体层厚度为2cm，完成高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极制 备。实施例3、高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极的制备将2mg碳纳米纤维(购自南通森友炭纤维有限公司，直径lOOnm，长度在50 μ m) 在2mL乙醇中连续超声(超声强度约为lw/cm2，超声频率为40kHz) 2小时，分散处理形成 每毫升Img的悬浊液，取6 μ L悬浊液涂敷于0. 07平方厘米玻碳基底电极上，在空气中干 燥，形成碳纳米材料层；将纯化后所得80 μ L浓度为1000U/ml漆酶(Trametes Versicolor Ε. C. 1. 10. 3. 2，23. 76U/mg)溶液与10 μ L丙酮混合得到含80U漆酶的混合液，取8 μ L漆酶 混合液和5%戊二醛溶液2 μ L涂敷于碳纳米材料层上，室温干燥即得酶层；然后在该基底 电极上套塑料管，将2-乙基咪唑六氟磷酸疏水离子液体(购自上海成捷化学有限公司)倒 入所述塑料管内覆盖于酶层上，使酶层上的离子液体层厚度为0. 4cm，完成高抗干扰性酶型 生物燃料电池阴极制备。该电极性能测试如
中图2所示，图2中，实线、划线和点线分别代表空气饱和的pH 4. 0柠檬酸缓冲溶液、pH 7. 2磷酸缓冲溶液和氮气饱和的pH 7. 2磷酸缓冲溶液 中高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极的氧还原循环伏安曲线。扫描速度IOmV s—1。由图可 见，pH 4.0和pH 7. 2的缓冲溶液中该阴极的氧还原曲线基本重合，说明pH并不影响该阴 极催化氧还原的能力，而通常没有疏水离子液体保护的漆酶阴极在PH 7.2的缓冲溶液中 不会在0. 6V左右有催化氧还原活性，甚至完全失活。实施例4、高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极的制备将Img碳纳米管(深圳纳米港有限公司，直径10-30nm，长度在0. 5 50 μ m)在 0. 2mL二甲基甲酰胺中，连续超声(超声强度约为lw/cm2，超声频率为40kHz) 1小时，分散处 理形成每毫升5mg的悬浊液，取0. 1 μ L悬浊液涂敷于0. 0056平方厘米钼基底电极上，在空 气中室温干燥，形成碳纳米材料层；将纯化后所得80 μ L浓度为1000U/ml漆酶(Trametes Versicolor Ε. C. 1. 10. 3. 2，23. 76U/mg)溶液与40 μ L丙酮混合得到含80U漆酶的混合液， 取1. 2μ L漆酶混合液涂敷于碳纳米材料层上，室温干燥即得酶层；然后在该基底电极上套 塑料管，将1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸疏水离子液体倒入所述塑料管内覆盖于酶层上， 使酶层上的离子液体层厚度为1cm，完成高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极制备。该电极性能测试如
中图3所示，虚线为空气饱和的pH 7磷酸缓冲溶液中 加入0. 5mM抗坏血酸时，高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极的开路电位时间关系曲线；实 线为没有离子液体保护的漆酶电极在PH6. 0磷酸缓冲溶液中加入抗坏血酸后开路电位时 间关系。由图可知，抗干扰阴极电位稳定在0.68V左右，而没有离子液体保护时电极电位降 为零伏，说明抗干扰阴极对抗坏血酸有较好的抗干扰性；而将0. 15M的KCl代替抗坏血酸加 入上述溶液，高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极和没有离子液体保 护的漆酶电极所得结果 与上述结果类似，说明高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极对高浓度的KCl和抗坏血酸等物 质有很好的抗干扰性。上述结果对于漆酶在中性溶液及实际体系中的应用都具有十分重要 的意义。
权利要求
一种生物燃料电池阴极，包括基底电极、涂敷于所述基底电极上的碳纳米材料层、和涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层以及覆盖于所述酶层上的疏水离子液体层；其中，所述酶层包括下述a)或b)的物质a)漆酶，b)经交联剂交联的漆酶。
2.根据权利要求1所述的生物燃料电池阴极，其特征在于所述碳纳米材料为碳纳米 管、碳纳米纤维和碳纳米球中的一种；所述疏水离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸、 2-乙基咪唑六氟磷酸、2-丙基咪唑六氟磷酸、2-乙基-4-甲基咪唑六氟磷酸和2-苯基咪唑 六氟磷酸中的一种，优选为1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸。
3.根据权利要求2所述的生物燃料电池阴极，其特征在于所述碳纳米纤维和碳纳米 管的直径为1 lOOnm，优选为1 50nm，平均长度为0. 5 50 μ m，优选为0. 5 20 μ m ； 所述碳纳米球的直径为50 500nm。
4.根据权利要求1-3中任一所述的生物燃料电池阴极，其特征在于所述碳纳米材料 层中，每平方厘米基底电极上碳纳米材料的含量为20-100 μ g ；所述酶层中，相对每平方厘 米基底电极上所述漆酶的含量为2-150U ；所述疏水离子液体层的厚度为0. 3 2cm。
5.根据权利要求1-4中任一所述的生物燃料电池阴极，其特征在于所述交联剂为戊 二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐或双偶氮苯，优选为戊二醛。
6.制备权利要求1-5中任一所述生物燃料电池阴极的方法，包括以下步骤1)将权利要求1-5中所述生物燃料电池阴极中所述的碳纳米材料分散于有机溶剂中 进行超声处理，得到碳纳米材料悬浊液，将所述悬浊液涂敷于基底电极上，干燥，形成碳纳 米材料层；2)将含有下述a)或b)物质的溶液涂敷于碳纳米材料层上，干燥后在碳纳米材料层上 形成酶层；所述a)为权利要求1-5中所述的生物燃料电池阴极中所述漆酶，所述b)为权利 要求1-5中所述的生物燃料电池阴极中所述漆酶和交联剂；3)将疏水离子液体覆盖于酶层上，得到所述酶电极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述碳纳米材料为碳纳米纤维和碳纳米 管，所述步骤1)中的碳纳米材料经过纯化。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述步骤1)的有机溶剂为二甲基甲 酰胺、丙酮、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷酮，优选为二甲基甲酰胺；所述悬浊液中碳纳米材料 的浓度为每毫升l_5mg。
9.根据权利要求6-8中任一所述的方法，其特征在于所述步骤2)的漆酶是经有机溶 剂活化的漆酶；所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷酮。
10.根据权利要求6-9中任一所述的方法，其特征在于所述疏水离子液体为1-丁 基-3-甲基咪唑六氟磷酸、2-乙基咪唑六氟磷酸、2-丙基咪唑六氟磷酸、2-乙基-4-甲基咪 唑六氟磷酸和2-苯基咪唑六氟磷酸中的一种，优选为1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸。
全文摘要
本发明公开了一种高抗干扰性酶型生物燃料电池阴极及其制备方法。该生物燃料电池阴极，包括基底电极、涂敷于所述基底电极上的碳纳米材料层、涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层以及覆盖于所述酶层上的疏水离子液体层；其中，所述酶层包括下述a)或b)的物质a)漆酶，b)经交联剂交联的漆酶。该生物燃料电池阴极对pH、氯离子和抗坏血酸等对漆酶活性有较大影响的因素有很好的抗干扰能力。
文档编号H01M8/16GK101931082SQ20091008672
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者周豪杰, 林雨青, 毛兰群, 苏磊 申请人:中国科学院化学研究所