一种甘油催化生物燃料电池阳极及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001]本发明属于电化学生物燃料电池领域，具体涉及一种甘油催化生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。
【背景技术】
[0002]生物燃料电池是一种以生物发电方式将生物能和化学能转化为电能的装置，其系统中至少有一部分是以微生物组织或酶为电池反应催化剂。生物燃料电池按催化方式的不同可分为两类:一类是酶生物燃料电池，即直接利用从生物体中分离出来的不同氧化还原酶作为催化剂；另一类是微生物燃料电池，使用整体微生物作为催化剂，实际上是间接利用微生物体内的酶。
[0003]研究发现，酶电极具有很高的催化活性，与传统的以Pt等贵金属为催化电极的燃料电池相比，具有以下特点:(1)酶电极具有很高的选择性和专一性，故催化效率比较高；(2)原料来源广泛，可以利用多种天然有机物作为燃料，还可以利用传统燃料电池不能利用的各种无机物、有机物及微生物呼吸的代谢产物、光合作用产物、发酵产物甚至污水等作为燃料；(3)工作条件温和，一般都在近中性的常温常压下运行。
[0004]目前，制约酶生物燃料电池发展的关键问题有两个:(1)输出功率(输出电流、电压)低。人们普遍认为酶电极的电子传递过程是限制酶生物燃料电池输出功率的关键因素，这与电极材料和酶本身的结构有关。大多数酶由于蛋白质外壳的屏蔽作用，很难实现与电极之间的直接电子转移过程。虽然引入电子介体为电子的传递提供了有效通道，但其综合结果还远远达不到实际应用的要求。因此，利用各种途径(如加入纳米颗粒、导电聚合物等对酶电极进行修饰)实现酶与电极之间的直接电子传递过程是提高输出功率的重要手段。另外，电极表面酶的负载量低也是导致输出功率低的重要因素，所以增加酶催化剂在电极表面的固定量也是提高输出功率的重要方法。(2)电池寿命短。影响使用寿命的关键因素就是酶催化剂本身的稳定性。酶是一种有催化能力的蛋白质，它的活性很容易受环境因素(如温度、PH、溶液中离子的组成与浓度等)的影响。研究发现，一般天然酶在溶液中的半衰期只有7_8h，但如果将其固定化，寿命可长达45天左右。因此，采用各种固定化技术将酶催化剂固定在电极表面是提高使用寿命的重要途径。综合而言，提高性能的最有效途径就是选择适合酶催化剂的固定化方法和材料。
【发明内容】
[0005]为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种甘油催化生物燃料电池阳极。
[0006]本发明的另一目的在于提供上述甘油催化生物燃料电池阳极的制备方法。
[0007]本发明的再一目的在于提供上述甘油催化生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。
[0008]本发明目的通过以下技术方案实现:
[0009]—种甘油催化生物燃料电池阳极，所述阳极是以基底电极为中心，由内到外依次为介体层和酶层。
[0010]优选地，所述的基底电极是指玻碳电极。
[0011]所述介体层的材料优选为Naf1n膜固定的麦尔多拉蓝(MB)。
[0012]优选地，所述的酶层由石墨烯壳聚糖、乙醇脱氢酶(ADH)、乙醛脱氢酶(AldDH)和辣根过氧化物酶组成。
[0013]上述甘油催化生物燃料电池阳极的制备方法，包括以下制备步骤:
[0014](1)对基底电极进行表面预处理；
[0015](2)将Naf1n溶液滴加到预处理后的基底电极表面，待溶剂挥发后形成一层Naf1n膜；然后把此电极插入麦尔多拉蓝水溶液中浸泡，使麦尔多拉蓝通过离子交换固定到Naf1n膜中；将电极取出后洗净、干燥，得到含有介体层的电极；
[0016](3)将含石墨烯的壳聚糖溶液、乙醇脱氢酶水溶液、乙醛脱氢酶水溶液及辣根过氧化物酶水溶液按比例混合均匀得复合酶溶液，然后将复合酶溶液滴加到步骤(2)的电极上表面，晾干后得到甘油催化生物燃料电池阳极。
[0017]优选地，步骤(1)中所述的表面预处理过程如下:将基底电极的表面依次用直径为0.3 μπι和0.05 μπι的Α1203粉末抛光成镜面，再用水冲洗；然后依次在无水乙醇和水中超声清洗lmin，取出用水洗净，晾干，然后置于0.5mol/L的H2S04S液中进行电极活化。
[0018]优选地，步骤(2)中所述的Naf1n溶液是指Naf1n的质量分数为5%的甲醇溶液；所述麦尔多拉蓝水溶液的浓度为0.lmmol/L ;所述的浸泡的时间为2h。
[0019]优选地，步骤(3)中所述含石墨烯的壳聚糖溶液通过以下方法制备:在质量分数为0.5%?2%的壳聚糖醋酸溶液中加入石墨烯，超声分散1?2h，得到石墨烯浓度为1?5mg/mL的含石墨稀的壳聚糖溶液。
[0020]优选地，所述乙醇脱氢酶水溶液的浓度为20?30mg/mL ；乙醛脱氢酶水溶液的浓度为20?30mg/mL ;辣根过氧化物酶水溶液的浓度为10?20mg/mL。
[0021 ] 优选地，所述的含石墨烯的壳聚糖溶液、乙醇脱氢酶水溶液、乙醛脱氢酶水溶液和辣根过氧化物酶水溶液的体积比为1:1:1:1。
[0022]上述甘油催化生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。
[0023]本发明的原理:本发明首先是制备Naf1n-麦尔多拉蓝修饰玻碳电极，然后将含石墨烯的壳聚糖溶液、乙醇脱氢酶水溶液、乙醛脱氢酶水溶液、辣根过氧化物酶水溶液混合均匀；再利用壳聚糖的包埋作用，将乙醇脱氢酶、乙醛脱氢酶和辣根过氧化物酶包埋起来，并利用石墨烯的载体特性，负载更多的酶，以利于对底物的催化；最后，取适量混合液滴于Naf1n-麦尔多拉蓝修饰玻碳电极表面上，得到修饰后的工作电极即低成本高性能酶生物燃料电池复合生物阳极。本发明所使用的麦尔多拉蓝是一种良好的电子传递体，经浸泡离子交换后形成膜稳定性好，不易流失，且具有快速传递电子的能力，能够实现电子的间接转移。本发明的电极催化氧化甘油的原理图如图1所示。
[0024]本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果:
[0025](1)本发明的生物燃料电池阳极通过加入石墨烯并通过特定的制备方法，可提高酶的负载量，有利于酶对底物的催化作用，产生更多的电子，同时也增加了介体的负载量，较高的介体负载量能将产生电子进行良好的转移，实现酶与电极之间的电子传递，减少了介体和酶的脱落对电池的功率性、稳定性和重现性的影响；
[0026](2)本发明的制备方法成本较低、容易制备(反应在室温中性环境)、催化性能好(在实施例中可看到明显的氧化还原峰变化)等优点；
[0027](3)本发明的生物燃料电池阳极对底物的氧化在中性pH条件下进行，所用的底物为自然界中广泛存在的物质，具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的电极催化氧化甘油的原理图；
[0029]图2为本发明实施例1的甘油催化生物燃料电池阳极与未修饰的玻碳电极的循环伏安图；
[0030]图3为本发明实施例1的甘油催化生物燃料电池阳极在未加入甘油和加入0.5mM甘油的循环伏安图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0032]实施例1
[0033](1)将直径为3mm的玻碳电极依次用直径为0.3 μ m和0.05 μ m的A1203粉末抛光成镜面，用蒸馏水冲洗，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗lmin，再将玻碳电极置于0.5mol/L的H2S04溶液中进行电极活化，取出用蒸馏水冲洗，晾干得到预处理的玻碳电极；
[0034](2)吸取6 μ L质量分数为0.5%的Naf1n甲醇溶液滴加到预处理玻碳电极表面，在室温下放置约1.5h，电极表面上的溶剂挥发后形成一层Naf1n膜；然后把此电极插入含有0.lmmol/L麦尔多拉蓝水溶液(将3.8mg麦尔多拉蓝加入到100mL蒸馏水中配制得到)中浸泡，使麦尔多拉蓝通过离子交换固定到Naf1n膜中；离子交换完成后，把电极取出用二次蒸馏水洗净，干燥，得到含有介体层的电极；
[0035](3)将含石墨烯的壳聚糖溶液(lmg/mL)、乙醇脱氢酶水溶液(30mg/mL，称取乙醇脱氢酶(Sigma) 1860U(310U/mg)，加入0.2mL蒸馏水配制得到)、乙醛脱氢酶水溶液(30mg/mL，称取乙醛脱氢酶(Sigma) 5.4U(0.9U/mg)，加入0.2mL蒸馏水配制得到)及辣根过氧化物酶水溶液(20mg/mL，称取辣根过氧化物酶(Roche M0040) 1000U (250U/mg)，加入0.2mL蒸馏水配制得到)按1:1:1:1的体积比混合均匀得复合酶溶液，取复合酶溶液5 μ L滴加到步骤(2)的电极表面，室温晾干，得到甘油催化生物燃料电池阳极。
[0036]本实施例所使用的含石墨烯的壳聚糖溶液通过以下方法制备:称取0.03g壳聚糖(T0060，DAC ^ 95% )加入到3mL浓度为0.lmol/L的醋酸溶液中，得质量分数为1%的壳聚糖醋酸溶液；取lmL上述质量分数为1%的壳聚糖醋酸溶液，加入lmg石墨烯，超声分散2h，得到石墨稀浓度为lmg/mL的含石墨稀的壳聚糖溶液。
[0037]本实施例的甘油催化生物燃料电池阳极性能测试采用标准三电极体系:本实施例得到的生物燃料电池阳极(GCE，直径为3_)为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，室温下进行电化学试验，并用未修饰的玻碳电极进行对比，结果如图2所示，实线代表本实施例所制备的工作电极在pH为7.0的磷酸缓冲溶液中，空气饱和状态下的循环伏安(CV)图，虚线代表未修饰的玻碳电极的循环伏安图。从图2可以看出，当扫描速度不太大时，得到有明显氧化还原峰的CV图，表明固定在Naf1n膜中的MB有很好的氧化还原反应可逆性，并且氧化峰和还原峰电位之差Δ Vp小于80mV，这表明膜中的MB能快速地和玻碳电极交换电子。
[0038]本实施例的甘油催化生物燃料电池阳极在未加入甘油和加入0.5mM甘油的循环伏安图如图3所示，其中，实线代表本实施例所制备的工作电极在pH为7.0的磷酸缓冲溶液中，空气饱和状态下，甘油浓度为0.5mM时的循环伏安曲线，虚线代表未加甘油时的循环伏安曲线