一种藕粉碳球生物燃料电池及其制备方法与流程

本发明涉及生物燃料技术领域，具体地说，是一种藕粉碳球生物燃料电池及其制备方法。

背景技术：

由于全球化石能源短缺及化石能源在开采使用过程中会对环境造成一定危害，寻求新型可再生能源已引起全世界的广泛关注。与传统的能源相比，燃料电池在反应过程中不涉及燃烧，因而能量转换不受卡诺循环的限制，具有高效、洁净、环境友好的显著特点，是21世纪首选的洁净高效发电技术。近年来，生物燃料电池的发展引起了人们极大的兴趣，生物燃料是绿色可再生能源，它可以替代许多化石燃料，因其多样性与环保性使得人们对生物燃料的应用开发越来越广泛，利用程度也越来越深。因此，生物燃料电池有望成为下一代绿色可持续能源设备之一。

目前生物燃料电池发电成本较高，输出功率不能满足实际要求，阻碍了燃料电池的实用化进程，且其技术尚不成熟。低开路电压、不可靠的功率输出和长期不稳定性等因素限制了生物燃料电池的商业适用性。其中，酶生物燃料电池所面临的一个巨大问题就是由于大多数氧化还原酶的活性中心被深埋，因此很难实现酶与电极之间的直接电子转移。电子转移能力差导致酶生物燃料电池的低开路电压和功率的不稳定。

技术实现要素：

为克服传统酶燃料电池酶固定量低，酶与电极之间电子传递弱导致电池功率密度低的问题，本发明提供了一种藕粉碳球生物燃料电池及其制备方法。本发明首次利用成本低的藕粉制备碳球，具有较大的比表面积，为酶提供了更有效的催化位点，有利于酶与电极之间的电子传递。其次，亚甲蓝溶液对电子的转移起到了一定的作用，提高了生物电催化活性。

本发明的技术方案如下：一种藕粉碳球生物燃料电池及其制备方法，具体步骤如下：

(1)藕粉碳球的制备：

称取4g的市售藕粉，将其放入研钵中充分研磨，然后将其溶于60ml去离子水中充分搅拌，搅拌0.5h以上，将其转移到反应釜中，在160～180℃下水热反应，结束后待冷却到室温，水洗3次醇洗3次，然后放入60℃干燥箱中干燥，即可制得藕粉碳球粉末；

(2)nafion/c-gox-mb/gce生物阳极的制备：

将5mg/ml的藕粉碳球壳聚糖溶液和10mg/ml的葡萄糖氧化酶(gox)壳聚糖溶液以体积比为2:1～1:1混合后，将其与藕粉碳球壳聚糖溶液同体积的6～14mg/ml亚甲蓝(3,7-双(二甲氨基)吩噻嗪-5-翁氯化物，mb)壳聚糖溶液超声混合均匀，取混合液滴于玻碳电极(gce)表面，并用0.5wt％的nafion(全氟磺酸)溶液进行固定，置于4℃下晾干，得到nafion/c-gox-mb/gce电极；

(3)nafion/c-bod-mb/gce电极的制备；

将5mg/ml的藕粉碳球壳聚糖溶液与10mg/ml胆红素氧化酶(bod)壳聚糖溶液以体积比为2:1～1:1混合后，将其与藕粉碳球壳聚糖溶液同体积的6～14mg/mlmb壳聚糖溶液超声混合均匀，取混合液滴于玻碳电极表面，并用0.5wt％的nafion溶液进行固定，置于4℃晾干，得到nafion/c-bod-mb/gce电极；

(4)葡萄糖燃料电池的制备：

葡萄糖氧化酶(gox)和胆红素氧化酶(bod)构成双酶体系，以nafion/c-gox-mb/gce电极为阳极，nafion/c-bod-mb/gce为阴极，葡萄糖溶液为燃料，制备藕粉碳球葡萄糖燃料电池。

优选地，步骤(1)中，所述的水热反应时间为8～12h。

优选地，步骤(2)和(3)中，亚甲蓝壳聚糖溶液最佳浓度为8-12mg/ml。

优选地，步骤(2)和(3)中，藕粉碳球壳聚糖溶液、gox/bod壳聚糖溶液和mb壳聚糖溶液体积比为1:1:1。

优选地，步骤(2)和(3)中，超声混合时间为10～30min。

优选地，步骤(4)中，所述的葡萄糖溶液的浓度为50～80mm，ph为7.0。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用成本低的藕粉合成纳米碳球，在众多的微球制剂中具有独特的优点：包括生物降解性好，生物相容性好，降解速度可以调节，无毒，无免疫原，贮存稳定等。藕粉来源充足、价格低廉、更重要的是藕粉微球的理化性质可以在合成过程中进行调整。

(2)以藕粉碳球作为电极材料，粗糙的表面提供了较大的比表面积，有利于酶的吸附，提高了酶与电极之间的直接电子转移；亚甲蓝的存在提高了电子转移速率，制备的生物电极具有良好的导电性、较高的灵敏度和长期稳定性。

(3)本发明的藕粉碳球葡萄糖燃料电池是利用双酶体系，无需隔膜，并具有较大的开路电压，在50mm葡萄糖缓冲溶液(ph＝7.0)中测定电池的性能，最优条件下，输出电压为0.65v，输出功率密度为6.3μw·cm^-2。本发明制作工艺简单，成本低，灵敏度高、无毒性、绿色可再生，有望在绿色可再生能源领域得到应用。

附图说明

图1为实施例1中藕粉碳球的sem(a、b)和tem(c、d)电镜图。

图2a为实施例2中藕粉碳球纳米材料与酶体积比的优化；2b为实施例3亚甲基蓝浓度对电池功率性能的影响；2c为实施例4葡萄糖燃料电池在不同葡萄糖浓度下的功率对比图。

图3为实施例5最优条件下，藕粉碳球燃料电池的开路电压(a)和功率密度图(b)。

图4为藕粉碳球燃料电池3天功率的稳定性图。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明首次利用成本低的藕粉制备碳球，具有较大的比表面积，为酶提供了更有效的催化位点，有利于酶与电极之间的电子传递。其次，亚甲蓝溶液对电子的转移起到了一定的作用，提高了生物电催化活性。

所有电化学实验均采用三电极体系，玻碳电极(gce，φ＝3.0mm，上海辰华仪器有限公司)为工作电极，饱和甘汞电极(sce，江苏电分析仪器厂)为参比电极，铂电极为对电极。循环伏安实验在chi660d电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)上，在含有0.1mkcl和1mmk3[fe(cn)6]/k4[fe(cn)6]的ph为7.0的pbs缓冲液中进行。

实施例1

本实施例的nafion/c-gox-mb/gce阳极和nafion/c-bod-mb/gce阴极，通过以下步骤制备得到：

(1)藕粉碳球的制备：称取4g藕粉，将其放入研钵中充分研磨，然后将其溶于10ml去离子水中充分搅拌2h使其分散。再加入50ml的沸水让其糊化并搅拌0.5h，然后转移到聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜，并在160-180℃水浴合成。待冷却到室温后将混合液离心洗涤，水洗3次醇洗3次，然后将其放入60℃恒温干燥箱中干燥即可得碳球纳米材料，形貌如图1所示，粒径为400-600nm。

(2)基于藕粉碳球的生物阳极和生物阴极的制备

玻碳电极依次用0.3和0.05μm氧化铝粉末抛光，于乙醇和水中超声清洗，用氮气吹干，待用。将藕粉碳球分散在壳聚糖溶液中，制备得到5mg/ml的溶液。将gox和bod分别分散在壳聚糖溶液中，分别得到10mg/ml的gox壳聚糖溶液和bod壳聚糖溶液，将亚甲基蓝分散在壳聚糖溶液中，制备得到10mg/ml的溶液，将藕粉碳球壳聚糖溶液、gox/bod壳聚糖溶液、亚甲基蓝壳聚糖溶液三种溶液按1:1:1体积比混合超声10-30min。移液枪移取5μl上述混合溶液于预处理好的玻碳电极表面，4℃条件下晾干后，在电极表面滴加5μl0.5％nafion溶液，4℃下晾干，分别制得nafion/c-gox-mb/gce阳极和nafion/c-bod-mb/gce阴极，将制得的nafion/c-gox-mb/gce阳极和nafion/c-bod-mb/gce阴极在4℃冰箱中保存待用。

实施例2

结合实施例1中燃料电池的制备，探究了不同亚甲基蓝浓度对电池功率性能的影响，具体步骤如下：

5mg/ml的藕粉碳球壳聚糖溶液与10mg/mlgod壳聚糖溶液分别和6mg/ml、8mg/ml、10mg/ml、12mg/ml、14mg/ml的亚甲蓝壳聚糖溶液以体积为1：1：1混合，其它条件同实施例1，在葡萄糖溶液中进行功率测试，结果如图2b所示。随着亚甲蓝浓度的增加，燃料电池的功率先增大后减小。这可能是由于mb浓度的增加，阳极表面吸附mb的量增加所致。从图中看出当亚甲蓝浓度为10mg/ml时，所构建的燃料电池具有较大的开路电压和输出功率。

实施例3

结合实施例1中燃料电池的制备，探究了藕粉碳球溶液与gox溶液的体积比对电池功率性能的影响，具体步骤如下：

5mg/ml藕粉碳球壳聚糖溶液：10mg/mlgox壳聚糖溶液的体积比分别为0.5：1，1：1，2：1和3：1，其它条件同实施例1，在葡萄糖溶液中进行功率的测定比较，结果如图2a所示。由图可知，当藕粉碳球壳聚糖与gox壳聚糖为1：1时，所构建的燃料电池有较大的开路电压和输出功率。

实施例4

按照实施例1制备的葡萄糖燃料电池，探究了在不同浓度的葡萄糖溶液中进行功率测试，具体步骤如下：

以nafion/c-gox-mb/gce电极为阳极，nafion/c-bod-mb/gce为阴极，分别在6mm、30mm、50mm、80mm、100mm的葡萄糖溶液中进行了电化学测试，结果如图2c所示，当葡萄糖浓度为50mm时，功率密度最大。在最佳条件下，该电池的开路电压和功率密度如图3所示。

图3a显示开路电压随时间的变化，电压达到0.65v左右后趋于稳定，最大功率密度为6.5μw(3b)。结果表明，藕粉碳球很好的应用于葡萄糖燃料电池中，操作简单、成本低、灵敏度高、无毒性、绿色可持续，具有良好的应用前景。

实施例5

对实施例1制备的葡萄糖燃料电池的稳定性进行探究，具体步骤如下：

以实施例1制备的nafion/c-gox-mb/gce电极为阳极，nafion/c-bod-mb/gce为阴极，在50mm葡萄糖溶液中，每隔半天进行功率的测定，结果如图4所示。由图可知，所构建的葡萄糖燃料电池半天后功率密度保留原始功率的85.71％，3天过后电池的功率稳定在原始功率的40％左右。

对比例1

本对比例的二维石墨烯纸支撑的酶燃料电池，由如下步骤制备得到：

以二维石墨烯代替实施例1中藕粉碳球，阳极中，以辅酶q-葡萄糖脱氢酶替换实施例1的葡萄糖氧化酶，其它同实施例1。制备的基于二维石墨烯纸的酶燃料电池4μw·cm^-2，明显低于本发明的输出功率。