专利名称：一种高效酶型生物燃料电池阴极及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高效酶型生物燃料电池阴极及其制备方法。
背景技术：
酶型生物燃料电池是一种利用酶作为催化剂将生物物质(如葡萄糖和氧气等) 的化学能转化成电能的新型能源技术，在可植入式微型能源领域(如生物传感器、人造 器官、起搏器电源等)有着极为广泛的应用前景(Yan et al. , Carbon-Nanotube-Based Glucose/02Biofuel Cells. Adv. Mater. 2006,18, 2639-2643 ；Gao et al. , An enzymatic glucose/02biofuel cell Preparation, characterization andperformance in serum, Electrochem. Commun. 2007，9，989-996)。由于使用酶作为生物电化学催化剂，酶的电化学 性质对于酶型生物燃料电池的性能而言具有关键性作用。例如，当使用电子媒介体(Fei et al. , A Biopolymer Composite that Catalyzes theReduction of Oxygen to Water. Chem. Mater. ,2007,19,1565-1570 ；Mano et al. , ALaccase-ffiring Redox Hydrogel for Efficient Catalysis of O2 Electroreduction. J. Phys. Chem. B 2006，110，11180—11187) 来“协助”酶与电极之间进行电子交换时，酶电极的输出电位就只取决于所使用的电子媒介 体；然而，当酶能够与电极进行直接电子交换时，酶电极的输出电位理论上可以接近酶的电 化学活性中心的式电位，产生较高的输出电位。因为漆酶在催化氧气还原时，具有催化氧还 原电位较高、酶活性较高、催化效率较高等优点，成为当前酶型生物燃料电池阴极最常用的 生物催化剂之一。尽管人们普遍利用漆酶的直接电化学性质来构筑酶型生物燃料电池氧气 还原的阴极，然而，所制备的氧气还原的阴极的电流效率较低，成为了限制生物燃料电池输 出功率大小的“瓶颈”，无法满足当前生物燃料电池发展的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效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、以及涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层；所述酶层包括下述a)或b)的物质 a)漆酶或胆红素氧化酶，b)经交联剂交联的漆酶或经交联剂交联的胆红素氧化酶。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20-200yg; 所述碳纳米材料可为碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球中的一种。在所述酶层中，所述漆酶或胆红素氧化酶相对每平方厘米基底电极的含量为 3-20U。所述漆酶来自真菌。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，其使用量为质量分数1-10%的戊二醛溶液0. 5-4 μ 1。本发明对碳纳米材料的尺寸无特别要求，一般来说，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。本发明所提供的制备上述高效酶型生物燃料电池阴极的方法，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)、b)或C)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，即得到所述的生物燃料电池阴极；所述a)为漆酶或胆红素氧化酶，所 述b)为漆酶和交联剂，所述c)为胆红素氧化酶和交联剂。所述步骤1)的有机溶剂具体可为二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇、N-甲基-2-吡咯烷 酮或乙腈，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，纯化时间为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-吡咯烷酮或乙腈， 优选为丙酮、乙腈或乙醇。本发明利用碳纳米材料来加速漆酶和电极之间的电子传递，实现了漆酶的直接电 化学，并通过多种有机试剂影响漆酶在电极上朝向，提供了一种构建高效催化氧还原的酶 型生物燃料电池阴极及其制备方法。本发明的电池阴极对氧气具有优异的催化效果。本发明首先是通过将分散好的碳纳米材料悬浊液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处理后涂 敷于碳纳米材料层上形成酶层，为了增加酶层的稳定性还选用交联剂进行酶之间的固定完 成生物燃料电池阴极的制备。该阴极在PH6的缓冲溶液中实现了漆酶对氧气的高效催化还 原，结果优于未经有机溶剂处理的漆酶对氧还原的电化学催化。
图1为高效酶型生物燃料电池阴极的结构示意图，其中，1表示碳纳米纤维或碳纳 米管，2表示碳纳米球，3表示漆酶或胆红素氧化酶，4表示基底电极；图2为实施例2中的高效酶型生物燃料电池阴极氧还原循环伏安示意图。
具体实施例方式实施例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(PH6. 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、高效酶型生物燃料电池阴极的制备将2mg碳纳米管(深圳纳米港有限公司，直径< 2nm)在0. 5mL乙醇中连续超声 (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4mg的悬浊液， 取3 μ 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。漆酶在使用前需要纯化，其具体步骤如实施例1中所述。将纯化后所得100 μ L浓度为 1000U/ml 漆酶(Trametes Versicolor Ε. C. 1. 10. 3. 2,23. 76U/mg)溶液与 20 μ L 乙醇混合 得到含100U漆酶混合液，取1. 5 μ L漆酶混合液涂敷于碳纳米材料层上，在室温干燥即得酶 层，完成高效酶型生物燃料电池阴极制备。该电极和普通漆酶阴极在空气或氮气饱和的ρΗ 6磷酸缓冲溶液中的氧还原性能 示于图2，其中，图中划线、实线分别代表空气饱和的ρΗ 6溶液中普通漆酶阴极和高效酶型 生物燃料电池阴极氧还原循环伏安曲线，点线代表氮气饱和的PH 6溶液中上述两种电极 的背景曲线。由图可知，高效酶型生物燃料电池阴极不光在起峰电位上优于普通漆酶阴极， 在氧还原法拉第电流上更是比后者高出数倍，说明高效酶型生物燃料电池阴极催化氧还原 效率较高，这有利于提高生物燃料电池的功率输出。实施例3、高效酶型生物燃料电池阴极的制备将1 mg碳纳米球(中国科学院化学研究所合成，直径0.5μπι，参考文献 Macromolecular Chemistry and Physics 207(18) 1633-1639)在 ImL 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) 0. 1小时，分散处理形成每毫升Img的悬 浊液，取3. 5 μ 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60 μ L浓度为 1000U/ml 胆红素氧化酶(B0D，E. C. 1. 10. 3. 2, from Myrothecium verrucaria)溶液与20 μ L丙酮混合得到含60U胆红素氧化酶的混合液，取1. 8 μ L胆红素 氧化酶混合液涂敷于碳纳米材料层上，在室温干燥即得酶层，完成高效酶型生物燃料电池 阴极制备。实施例4、高效酶型生物燃料电池阴极的制备将Img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 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) 0. 1小时，分散处理形成每毫升Img的悬 浊液，取1. 4μ 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60 μ L浓度为 1000U/ml 胆红素氧化酶(B0D，E. C. 1. 10. 3. 2, from Myrothecium verrucaria)溶液与20 μ L丙酮混合得到含60U胆红素氧化酶的混合液，取0. 28 μ L胆红素 氧化酶混合液涂敷于碳纳米材料层上，在室温干燥即得酶层，完成高效酶型生物燃料电池 阴极制备。实施例5、高效酶型生物燃料电池阴极的制备将Img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 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) 0. 1小时，分散处理形成每毫升Img的悬浊液，取14 μ 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 60 μ L 浓度为 1000U/ml 胆红素氧化酶(BOD，E. C. 1. 10. 3. 2，from Myrothecium verrucaria)溶液与20 μ L丙酮混合得到含60U胆红素氧化酶的混合液，取1. 87 μ L胆红素 氧化酶混合液涂敷于碳纳米材料层上，在室温干燥即得酶层，完成高效酶型生物燃料电池 阴极制备。
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以及涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层；所述酶层包括下述a)或b)的物质a)漆酶或胆红素氧化酶，b)经交联剂交联的漆酶或经交联剂交联的胆红素氧化酶。
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。
3.根据权利要求1或2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20-200μ g ；所述酶层中，所述漆酶或胆红素 氧化酶相对于基底电极的含量为每平方厘米3-20U。
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。
5.根据权利要求2-4中任一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。
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中所述的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)、b)或c)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，即得到所述的生物燃料电池阴极；所述a)为权利要求1-5中所述生物燃料 电池阴极中所述的漆酶或胆红素氧化酶，所述b)为权利要求1-5中所述生物燃料电池阴极 中所述的漆酶和交联剂，所述c)为权利要求1-5中所述的生物燃料电池阴极中所述胆红素 氧化酶和交联剂。
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、N-甲基-2-吡咯烷酮或乙腈，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。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述有机溶剂为二甲基甲酰胺、丙酮、乙 醇、N-甲基-2-吡咯烷酮或乙腈，优选为丙酮、乙腈或乙醇。
全文摘要
本发明公开了一种高效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以及涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层；所述酶层包括下述a)或b)的物质a)漆酶或胆红素氧化酶，b)经交联剂交联的漆酶或胆红素氧化酶。本发明的生物燃料电池阴极与普通生物燃料电池阴极相比提高了对氧的催化还原效率。
文档编号H01M4/96GK101931083SQ20091008672
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
发明者林雨青, 毛兰群, 苏磊 申请人:中国科学院化学研究所