專利名稱：一種高效酶型生物燃料電池陰極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高效酶型生物燃料電池陰極及其制備方法。
背景技術(shù)：
酶型生物燃料電池是一種利用酶作為催化劑將生物物質(zhì)(如葡萄糖和氧氣等) 的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的新型能源技術(shù)，在可植入式微型能源領(lǐng)域(如生物傳感器、人造 器官、起搏器電源等)有著極為廣泛的應(yīng)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)。由于使用酶作為生物電化學(xué)催化劑，酶的電化學(xué) 性質(zhì)對于酶型生物燃料電池的性能而言具有關(guān)鍵性作用。例如，當(dāng)使用電子媒介體(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) 來“協(xié)助”酶與電極之間進(jìn)行電子交換時，酶電極的輸出電位就只取決于所使用的電子媒介 體；然而，當(dāng)酶能夠與電極進(jìn)行直接電子交換時，酶電極的輸出電位理論上可以接近酶的電 化學(xué)活性中心的式電位，產(chǎn)生較高的輸出電位。因?yàn)槠崦冈诖呋鯕膺€原時，具有催化氧還 原電位較高、酶活性較高、催化效率較高等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前酶型生物燃料電池陰極最常用的 生物催化劑之一。盡管人們普遍利用漆酶的直接電化學(xué)性質(zhì)來構(gòu)筑酶型生物燃料電池氧氣 還原的陰極，然而，所制備的氧氣還原的陰極的電流效率較低，成為了限制生物燃料電池輸 出功率大小的“瓶頸”，無法滿足當(dāng)前生物燃料電池發(fā)展的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高效酶型生物燃料電池陰極及其制備方法。本發(fā)明所提供的生物燃料電池陰極，包括基底電極、涂敷于所述基底電極上的碳 納米材料層、以及涂敷于所述碳納米材料層上的酶層；所述酶層包括下述a)或b)的物質(zhì) a)漆酶或膽紅素氧化酶，b)經(jīng)交聯(lián)劑交聯(lián)的漆酶或經(jīng)交聯(lián)劑交聯(lián)的膽紅素氧化酶。在所述碳納米材料層中，基底電極上碳納米材料的含量為每平方厘米20-200yg; 所述碳納米材料可為碳納米管、碳納米纖維和碳納米球中的一種。在所述酶層中，所述漆酶或膽紅素氧化酶相對每平方厘米基底電極的含量為 3-20U。所述漆酶來自真菌。為了增加酶層的穩(wěn)定性還可選用交聯(lián)劑進(jìn)行酶之間的固定，所述的交聯(lián)劑具體可 為戊二醛、己二胺、順丁烯二酸酐或雙偶氮苯，優(yōu)選為戊二醛。以戊二醛為例，相對于每平方 厘米基底電極，其使用量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1-10%的戊二醛溶液0. 5-4 μ 1。本發(fā)明對碳納米材料的尺寸無特別要求，一般來說，所述碳納米纖維和碳納米管 的直徑為1 lOOnm，優(yōu)選為1 50nm，平均長度為0. 5 50 μ m，優(yōu)選為0. 5 20 μ m ；所述碳納米球的直徑為50 500nm。本發(fā)明所提供的制備上述高效酶型生物燃料電池陰極的方法，包括以下步驟1)將碳納米材料分散于有機(jī)溶劑中進(jìn)行超聲處理，得到碳納米材料懸濁液，將所 述懸濁液涂敷于基底電極上，干燥，形成碳納米材料層；2)將含有下述a)、b)或C)物質(zhì)的溶液涂敷于碳納米材料層上，干燥后在碳納米 材料層上形成酶層，即得到所述的生物燃料電池陰極；所述a)為漆酶或膽紅素氧化酶，所 述b)為漆酶和交聯(lián)劑，所述c)為膽紅素氧化酶和交聯(lián)劑。所述步驟1)的有機(jī)溶劑具體可為二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇、N-甲基-2-吡咯烷 酮或乙腈，優(yōu)選為二甲基甲酰胺。所述懸濁液中碳納米材料的濃度為每毫升l_5mg。所述超 聲處理進(jìn)行的時間可為0. 1-2小時。本發(fā)明中，當(dāng)所用的碳納米材料為碳納米纖維和碳納米管時，在使用之前需對碳 納米纖維和碳納米管進(jìn)行純化以除去制備時的金屬催化劑。當(dāng)所用碳納米材料為碳納米球 時，可不經(jīng)特殊處理直接使用。具體的純化方法如下純化時所用的酸為1 5M的硝酸或鹽酸，溫度為10 120°C，純化時間為1 10小時。本發(fā)明中所用的漆酶為純化后的漆酶。為了增加漆酶的活性，可用有機(jī)溶劑對漆 酶進(jìn)行活化，所述有機(jī)溶劑可為二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷酮或乙腈， 優(yōu)選為丙酮、乙腈或乙醇。本發(fā)明利用碳納米材料來加速漆酶和電極之間的電子傳遞，實(shí)現(xiàn)了漆酶的直接電 化學(xué)，并通過多種有機(jī)試劑影響漆酶在電極上朝向，提供了一種構(gòu)建高效催化氧還原的酶 型生物燃料電池陰極及其制備方法。本發(fā)明的電池陰極對氧氣具有優(yōu)異的催化效果。本發(fā)明首先是通過將分散好的碳納米材料懸濁液涂敷于基底電極表面形成碳納 米材料層作為實(shí)現(xiàn)漆酶直接電化學(xué)的高效媒介，然后將純化后的漆酶經(jīng)有機(jī)溶劑處理后涂 敷于碳納米材料層上形成酶層，為了增加酶層的穩(wěn)定性還選用交聯(lián)劑進(jìn)行酶之間的固定完 成生物燃料電池陰極的制備。該陰極在PH6的緩沖溶液中實(shí)現(xiàn)了漆酶對氧氣的高效催化還 原，結(jié)果優(yōu)于未經(jīng)有機(jī)溶劑處理的漆酶對氧還原的電化學(xué)催化。


圖1為高效酶型生物燃料電池陰極的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1表示碳納米纖維或碳納 米管，2表示碳納米球，3表示漆酶或膽紅素氧化酶，4表示基底電極；圖2為實(shí)施例2中的高效酶型生物燃料電池陰極氧還原循環(huán)伏安示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1、漆酶的純化將 50mg漆酶(Trametes Versicolor Ε. C. 1. 10. 3. 2,23. 76U/mg)溶于 500 μ L0. IM 磷酸緩沖溶液(ΡΗ6.0)并移至透析袋中，將此透析袋浸于新鮮的0. IM磷酸緩沖溶液 (ΡΗ6.0)中攪拌透析4小時，再移至另一新鮮0. IM磷酸緩沖溶液(ρΗ6.0)中攪拌4小 時，如此循環(huán)透析1-2天。然后向袋中溶液加入硫酸銨直至飽和，有沉淀析出，接著將此 懸濁液在5000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下離心10分鐘；將所得沉淀溶于大約500 μ L0. IM磷酸緩沖溶液(PH6. 0)，再以硫酸銨飽和，又有沉淀析出；再離心得到沉淀，并將所得沉淀溶于 300 μ L0. IM磷酸緩沖溶液(ΡΗ6. 0)裝進(jìn)透析管，在5000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下離心濃縮5分鐘， 所得濃縮液保存于冰箱中備用。實(shí)施例2、高效酶型生物燃料電池陰極的制備將2mg碳納米管(深圳納米港有限公司，直徑< 2nm)在0. 5mL乙醇中連續(xù)超聲 (超聲強(qiáng)度約為lw/cm2，超聲頻率為40kHz) 1小時，分散處理形成每毫升4mg的懸濁液， 取3 μ L懸濁液涂敷于0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，在空氣中干燥，形成碳納米材料 層。漆酶在使用前需要純化，其具體步驟如實(shí)施例1中所述。將純化后所得100 μ L濃度為 1000U/ml 漆酶(Trametes Versicolor Ε. C. 1. 10. 3. 2,23. 76U/mg)溶液與 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納米材料層上，在室溫干燥即得酶 層，完成高效酶型生物燃料電池陰極制備。該電極和普通漆酶陰極在空氣或氮?dú)怙柡偷摩薛?6磷酸緩沖溶液中的氧還原性能 示于圖2，其中，圖中劃線、實(shí)線分別代表空氣飽和的ρΗ 6溶液中普通漆酶陰極和高效酶型 生物燃料電池陰極氧還原循環(huán)伏安曲線，點(diǎn)線代表氮?dú)怙柡偷腜H 6溶液中上述兩種電極 的背景曲線。由圖可知，高效酶型生物燃料電池陰極不光在起峰電位上優(yōu)于普通漆酶陰極， 在氧還原法拉第電流上更是比后者高出數(shù)倍，說明高效酶型生物燃料電池陰極催化氧還原 效率較高，這有利于提高生物燃料電池的功率輸出。實(shí)施例3、高效酶型生物燃料電池陰極的制備將1 mg碳納米球(中國科學(xué)院化學(xué)研究所合成，直徑0.5μπι，參考文獻(xiàn) Macromolecular Chemistry and Physics 207(18) 1633-1639)在 ImL 二甲基甲酰胺中連 續(xù)超聲(超聲強(qiáng)度約為lw/cm2，超聲頻率為40kHz) 0. 1小時，分散處理形成每毫升Img的懸 濁液，取3. 5 μ L懸濁液涂敷于0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，在空氣中干燥，形成碳納 米材料層；將60 μ L濃度為 1000U/ml 膽紅素氧化酶(B0D，E. C. 1. 10. 3. 2, from Myrothecium verrucaria)溶液與20 μ L丙酮混合得到含60U膽紅素氧化酶的混合液，取1. 8 μ L膽紅素 氧化酶混合液涂敷于碳納米材料層上，在室溫干燥即得酶層，完成高效酶型生物燃料電池 陰極制備。實(shí)施例4、高效酶型生物燃料電池陰極的制備將Img碳納米球(中國科學(xué)院化學(xué)研究所合成，直徑0.5 μ m，參考文獻(xiàn) Macromolecular Chemistry and Physics 207(18) :1633_1639)在 ImL 二甲基甲酰胺中連 續(xù)超聲(超聲強(qiáng)度約為lw/cm2，超聲頻率為40kHz) 0. 1小時，分散處理形成每毫升Img的懸 濁液，取1. 4μ L懸濁液涂敷于0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，在空氣中干燥，形成碳納 米材料層；將60 μ L濃度為 1000U/ml 膽紅素氧化酶(B0D，E. C. 1. 10. 3. 2, from Myrothecium verrucaria)溶液與20 μ L丙酮混合得到含60U膽紅素氧化酶的混合液，取0. 28 μ L膽紅素 氧化酶混合液涂敷于碳納米材料層上，在室溫干燥即得酶層，完成高效酶型生物燃料電池 陰極制備。實(shí)施例5、高效酶型生物燃料電池陰極的制備將Img碳納米球(中國科學(xué)院化學(xué)研究所合成，直徑0.5 μ m，參考文獻(xiàn) Macromolecular Chemistry and Physics 207(18) :1633_1639)在 ImL 二甲基甲酰胺中連 續(xù)超聲(超聲強(qiáng)度約為lw/cm2，超聲頻率為40kHz) 0. 1小時，分散處理形成每毫升Img的懸濁液，取14 μ L懸濁液涂敷于0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，在空氣中干燥，形成碳納米 材料層；將 60 μ L 濃度為 1000U/ml 膽紅素氧化酶(BOD，E. C. 1. 10. 3. 2，from Myrothecium verrucaria)溶液與20 μ L丙酮混合得到含60U膽紅素氧化酶的混合液，取1. 87 μ L膽紅素 氧化酶混合液涂敷于碳納米材料層上，在室溫干燥即得酶層，完成高效酶型生物燃料電池 陰極制備。
權(quán)利要求
一種生物燃料電池陰極，包括基底電極、涂敷于所述基底電極上的碳納米材料層以及涂敷于所述碳納米材料層上的酶層；所述酶層包括下述a)或b)的物質(zhì)a)漆酶或膽紅素氧化酶，b)經(jīng)交聯(lián)劑交聯(lián)的漆酶或經(jīng)交聯(lián)劑交聯(lián)的膽紅素氧化酶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物燃料電池陰極，其特征在于所述碳納米材料為碳納米 管、碳納米纖維和碳納米球中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的生物燃料電池陰極，其特征在于所述碳納米材料層中， 每平方厘米基底電極上碳納米材料的含量為20-200μ g ；所述酶層中，所述漆酶或膽紅素 氧化酶相對于基底電極的含量為每平方厘米3-20U。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的生物燃料電池陰極，其特征在于所述交聯(lián)劑為戊 二醛、己二胺、順丁烯二酸酐或雙偶氮苯，優(yōu)選為戊二醛。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一所述的生物燃料電池陰極，其特征在于所述碳納米纖維 和碳納米管的直徑為1 lOOnm，優(yōu)選為1 50nm，平均長度為0. 5 50 μ m，優(yōu)選為0. 5 20 μ m ；所述碳納米球的直徑為50 500nm。
6.制備權(quán)利要求1-5中任一所述生物燃料電池陰極的方法，包括以下步驟1)將權(quán)利要求1-5中所述的生物燃料電池陰極中所述的碳納米材料分散于有機(jī)溶劑 中進(jìn)行超聲處理，得到碳納米材料懸濁液，將所述懸濁液涂敷于基底電極上，干燥，形成碳 納米材料層；2)將含有下述a)、b)或c)物質(zhì)的溶液涂敷于碳納米材料層上，干燥后在碳納米材料 層上形成酶層，即得到所述的生物燃料電池陰極；所述a)為權(quán)利要求1-5中所述生物燃料 電池陰極中所述的漆酶或膽紅素氧化酶，所述b)為權(quán)利要求1-5中所述生物燃料電池陰極 中所述的漆酶和交聯(lián)劑，所述c)為權(quán)利要求1-5中所述的生物燃料電池陰極中所述膽紅素 氧化酶和交聯(lián)劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述碳納米材料為碳納米纖維和碳納米 管，所述步驟1)中的碳納米材料經(jīng)過純化。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于所述步驟1)的有機(jī)溶劑為二甲基甲 酰胺、丙酮、乙醇、N-甲基-2-吡咯烷酮或乙腈，優(yōu)選為二甲基甲酰胺；所述懸濁液中碳納米 材料的濃度為每毫升l_5mg。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一所述的方法，其特征在于所述步驟2)的漆酶是經(jīng)有機(jī)溶 劑活化的漆酶。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述有機(jī)溶劑為二甲基甲酰胺、丙酮、乙 醇、N-甲基-2-吡咯烷酮或乙腈，優(yōu)選為丙酮、乙腈或乙醇。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效酶型生物燃料電池陰極及其制備方法。該生物燃料電池陰極，包括基底電極、涂敷于所述基底電極上的碳納米材料層以及涂敷于所述碳納米材料層上的酶層；所述酶層包括下述a)或b)的物質(zhì)a)漆酶或膽紅素氧化酶，b)經(jīng)交聯(lián)劑交聯(lián)的漆酶或膽紅素氧化酶。本發(fā)明的生物燃料電池陰極與普通生物燃料電池陰極相比提高了對氧的催化還原效率。
文檔編號H01M4/96GK101931083SQ20091008672
公開日2010年12月29日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者林雨青, 毛蘭群, 蘇磊 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所