專利名稱：一種介體型生物燃料電池陽(yáng)極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物燃料電池陽(yáng)極，特別是涉及一種介體型生物燃料電池陽(yáng)極。
背景技術(shù)：
生物燃料電池是一種新型的能源轉(zhuǎn)化裝置，它以自然界中的微生物或酶為催化 劑，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。生物燃料電池除了具有燃料利用率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)外，還 有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)1)燃料來(lái)源廣泛，自然界大量存在的葡萄糖、淀粉等可再生有機(jī)物都 可以作為燃料；2)反應(yīng)條件溫和，可以在常溫、常壓、中性pH值條件下反應(yīng)，易于操作、控制 和維護(hù)；3)生物兼容性好，可以為植入人體的人造器官或生物傳感器提供能源。然而，要作 為在體電源應(yīng)用于實(shí)際生活還比較遙遠(yuǎn)，其主要原因在于電池的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際 要求。導(dǎo)致電池不穩(wěn)定的原因有很多種，其中，對(duì)于酶型生物燃料電池，大多數(shù)酶的活性中 心深埋在酶的內(nèi)部，很難實(shí)現(xiàn)與電極之間進(jìn)行直接的電子轉(zhuǎn)移，國(guó)內(nèi)外研究工作者廣泛采 用介體實(shí)現(xiàn)酶與電極之間的間接電子轉(zhuǎn)移(Chemical Reviews. 2004，104，4867-4886)，然 而，上述介體的固定方式往往存在所固定的介體不易定量、容易脫落等問(wèn)題，限制了電池的 功率和穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種介體型生物燃料電池陽(yáng)極(介體型酶電極)，其介體通 過(guò)靜電作用固定在電極上，可以提高生物燃料電池陽(yáng)極的穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明所提供的介體型生物燃料電池陽(yáng)極，包括基底電極、包覆于所述基底電極 上的碳納米材料層、包覆于所述碳納米材料層上的介體層以及包覆于所述介體層上的酶 層；其中，所述碳納米材料層由陽(yáng)離子功能化的碳納米材料組成，所述酶層包括下述a)或 b)或c)的物質(zhì)a)氧化酶；b)氧化酶、惰性蛋白和交聯(lián)劑交聯(lián)形成的固定化酶；c)氧化酶、 生物高聚物和交聯(lián)劑交聯(lián)形成的固定化酶。在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_170μ g。 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或其任意組合；所述陽(yáng)離子 為聚吡咯陽(yáng)離子、聚苯胺陽(yáng)離子、咪唑陽(yáng)離子和吲哚陽(yáng)離子中的一種或其任意組合。在所述介體層中，所述介體為[Mo (CN) 8] 條、[W (CN) 6] 條、[Fe (CN) 6] 條和
3_A_中的一種或其任意組合。每平方厘米基底電極上介體的含量為10-30yg。在所述酶層中，每平方厘米基底電極上氧化酶的含量為1. 4 217. 2U。所述惰性 蛋白可為牛血清蛋白、人血清蛋白和白明膠中的一種或其任意組合；所述生物高聚物可為 纖維素、淀粉、殼聚糖和瓊脂糖中的一種或其任意組合；惰性蛋白或者生物高聚物水溶液的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0. 5% 10%。根據(jù)氧化底物的不同，可以選擇相應(yīng)的針對(duì)該底物的氧化酶例 如，對(duì)于乙醇，選用乙醇氧化酶；對(duì)于葡萄糖，選用葡萄糖氧化酶。本發(fā)明對(duì)納米材料的尺寸無(wú)特別要求，一般來(lái)說(shuō)，所述碳納米管、碳納米纖維的直
3徑為1 500nm，優(yōu)選為1 10nm，平均長(zhǎng)度為0. 5 50 μ m，優(yōu)選為5 15 μ m ；所述碳納 米球的直徑為10 500nm。制備上述介體型生物燃料電池陽(yáng)極的方法，包括以下步驟1)將所述的碳納米材料進(jìn)行超聲處理，然后將超聲處理后的碳納米材料涂覆于基 底電極上，室溫干燥；2)將經(jīng)過(guò)1)處理的電極浸泡于所述介體溶液中，10 30分鐘后取出，室溫干燥， 形成介體層；3)將含有氧化酶的溶液涂覆于介體層上，室溫干燥，在介體層上形成酶層，即得到 所述的基于氧化酶的介體型生物燃料電池陽(yáng)極。其中，為了使酶層能夠更好的固定在電極上，氧化酶溶液中還可含有交聯(lián)劑。所 述交聯(lián)劑可以為常見(jiàn)的功能試劑，如戊二醛、己二胺、順丁烯二酸酐、雙偶氮苯等，優(yōu)選為戊 二醛。介體型生物燃料電池陽(yáng)極具體制備過(guò)程中，每平方厘米基底電極上各種物質(zhì)用量如 下碳納米材料層中含有2mg/mL的陽(yáng)離子功能化的碳納米材料10 85 μ L ；酶溶液中含有 100 1900U/mL的氧化酶溶液14 114. 2 μ L、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5 10%的惰性蛋白溶液或 者生物高聚物溶液14 86 μ L、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5 6%的交聯(lián)劑溶液7 57 μ L。碳納米材料由于具有獨(dú)特的機(jī)械特性、物理化學(xué)性質(zhì)和生物相容性，引起了科學(xué) 研究領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域工作者的廣泛興趣。碳納米材料本身以及經(jīng)過(guò)功能化之后得到的納米 材料在電分析化學(xué)領(lǐng)域的研究中具有十分重要的價(jià)值。在實(shí)現(xiàn)酶的活性中心與電極之間的 電子間接轉(zhuǎn)移研究中，[Mo(CN)8]"4-, [W(CN)6]"4-, [Fe(CN)6]3* 和[Os (CN) 6] 等是被廣 泛應(yīng)用的電子媒介體，能夠很好地實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。所以通過(guò)利用碳納米材料或者功能化 之后的碳納米材料與電子媒介體之間的相互作用，將兩者復(fù)合形成多功能的復(fù)合物，能夠 實(shí)現(xiàn)電子的間接轉(zhuǎn)移。本發(fā)明首先將碳納米材料經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)引入吡咯陽(yáng)離子、聚苯胺陽(yáng)離 子、咪唑陽(yáng)離子或者吲哚陽(yáng)離子中的一種或者幾種作用，制備了大陽(yáng)離子功能化的碳納米 材料。然后，將大陽(yáng)離子功能化的碳納米材料固定于基底電極表面，將電極置于含有介體的 溶液中，利用大陽(yáng)離子功能化的碳納米材料與[Mo(CN)8r/4_，[W(CN)6]3-74-, [Fe(CN)6]3_/4ln [Os (CN)6]3"4-等中的一種或者幾種相互作用，制備大陽(yáng)離子功能化的碳納米材料和介體的 納米復(fù)合物，固定于電極表面，可以作為氧化酶的電子媒介體。最后，在碳納米材料和介體 的納米復(fù)合物上涂覆含有氧化酶、交聯(lián)劑和惰性蛋白或者生物高聚物組成的酶層，制得介 體型生物燃料電池陽(yáng)極。該酶電極具有容易制備、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是，該酶電 極對(duì)底物的氧化在中性PH條件下進(jìn)行，所用的底物為自然界中廣泛存在的物質(zhì)。因此，采 用該方法制備的介體型生物燃料電池陽(yáng)極在生物燃料電池的研究中有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為實(shí)施例1、2、3制備的介體型生物燃料電池陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)示意圖，其中Vj代表 碳納米管或碳納米纖維，f代表介體，0代表氧化酶，々代表交聯(lián)劑，,代表基底電 極。圖2為實(shí)施例1制備的介體型生物燃料電池陽(yáng)極，在空氣飽和狀態(tài)下，在PH值為
47. 4的磷酸緩沖溶液中對(duì)葡萄糖響應(yīng)的循環(huán)伏安圖。圖3為實(shí)施例2制備的介體型生物燃料電池陽(yáng)極，在空氣飽和狀態(tài)下，在pH值為 7. 4的磷酸緩沖溶液中對(duì)葡萄糖響應(yīng)的循環(huán)伏安圖。圖4為實(shí)施例3制備的介體型生物燃料電池陽(yáng)極，在空氣飽和狀態(tài)下，在pH值為 7. 4的磷酸緩沖溶液中對(duì)葡萄糖響應(yīng)的循環(huán)伏安圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備4mg咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米管(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所合成，直徑范圍20 30nm，平均長(zhǎng)度為 0. 5 50 μ m，Analytical Chemistry 80(17) :6587_6593)具體合成過(guò) 程為首先，多壁碳納米管在3 1的硫酸和硝酸混合液中超聲以引入羧基，得到的產(chǎn)物與 亞硫酰(二)氯反應(yīng)引入酰氯基團(tuán)；然后，在三氯化鐵催化作用下，酰氯基團(tuán)啟動(dòng)環(huán)氧氯丙 烷對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行原位陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合，得到聚醚接枝碳納米管；最后，與甲基咪唑反 應(yīng)，得到咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米管。將其分散在2mL蒸餾水中，室溫下連續(xù)超聲(超聲 功率為50W，頻率為50Hz)兩個(gè)小時(shí)，吸取5 μ L經(jīng)超聲處理的碳納米管懸濁液涂覆在0. 07 平方厘米的玻碳基底電極上，室溫下干燥，將干燥后的電極浸泡于濃度為lOmg/mL的鐵氰 化鉀溶液中，20分鐘后取出，室溫下干燥，形成介體層，介體的含量可以通過(guò)比較吸附前后 碳納米管質(zhì)量的變化而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶(葡萄糖氧化酶購(gòu)買自SIGMA-ALDRICH 公司，商品目錄號(hào)為:G7141) 1. 9U(1900U/mL, 1 μ L)、牛血清蛋白20 μ g(l %水溶液，2 μ L) 和交聯(lián)劑(戊二醛)iOyg(i%水溶液，IyL)的4μL混合液涂覆在介體層上，室溫下干燥， 形成酶層，得到葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生物燃料電池的陽(yáng)極。所制備的酶電極不 用時(shí)保存在冰箱中(保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°c )，20天后在相同條件，對(duì)相同濃度葡萄糖的 催化氧化電流為原來(lái)的80%。該電極性能測(cè)試如

中圖2所示，其中，實(shí)線代表實(shí)施例1所制備的葡萄糖 氧化酶電極在pH為7. 4的磷酸緩沖溶液中，空氣飽和狀態(tài)下，葡萄糖濃度為4mM時(shí)的循環(huán) 伏安曲線，虛線代表未加葡萄糖時(shí)的循環(huán)伏安曲線。實(shí)驗(yàn)所用參比電極為Ag/AgCl參比電 極，對(duì)電極為鉬絲。通過(guò)對(duì)圖中實(shí)線與虛線的比較可以看到加入葡萄糖之后氧化峰電流相對(duì)于未加 入葡萄糖時(shí)有明顯增大(氧化峰電流為圖中上部峰所示電流)，同時(shí)在加入葡萄糖后還原 峰電流相對(duì)于未加入葡萄糖時(shí)有明顯的減小(還原峰電流為圖中下部峰所示電流)。因此 可以得出結(jié)論所制備的電極對(duì)于葡萄糖有很好的催化氧化作用。實(shí)施例2、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備將4mg實(shí)施例1中制備的咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米管分散在2mL蒸餾水中，室 溫下連續(xù)超聲(超聲功率為50W，頻率為50Hz) 30分鐘，吸取4 μ L經(jīng)超聲處理的碳納米管 懸濁液涂覆在0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，室溫下干燥，將干燥后的電極浸泡于濃 度為lOmg/mL的鐵氰化鉀溶液中，20分鐘后取出，室溫下干燥，形成介體層，介體的含量可 以通過(guò)比較吸附前后碳納米管質(zhì)量的變化而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶5. 7U(葡萄糖氧 化酶購(gòu)買自SIGMA-ALDRICH公司，商品目錄號(hào)為:G7141) (1900U/mL，3 μ L)和牛血清蛋白 20 μ g (1 %水溶液，2 μ L)的5 μ L混合液滴涂在介體層上，室溫下干燥，形成酶層，得到葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生物染料電池的陽(yáng)極。所制備的酶電極不用時(shí)保存在冰箱中 (保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°C )，20天后在相同條件，對(duì)相同濃度葡萄糖的催化氧化電流為原 來(lái)的76%。該電極性能測(cè)試如

中圖3所示，其中，實(shí)線代表實(shí)施例1所制備的葡萄糖 氧化酶電極在pH為7. 4的磷酸緩沖溶液中，空氣飽和狀態(tài)下，葡萄糖濃度為2mM時(shí)的循環(huán) 伏安曲線，虛線代表未加葡萄糖時(shí)的循環(huán)伏安曲線。實(shí)驗(yàn)所用參比電極為Ag/AgCl參比電 極，對(duì)電極為鉬絲。對(duì)比可以得出所制備的電極對(duì)葡萄糖有很好的催化氧化作用。實(shí)施例3、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備將4mg實(shí)施例1中制備的咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米管分散在2mL蒸餾水中，室 溫下連續(xù)超聲(超聲功率為50W，頻率為50Hz) 30分鐘，吸取4 μ L經(jīng)超聲處理的碳納米管懸 濁液涂覆在0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，室溫下干燥，將干燥后的電極浸泡于濃度為 lOmg/mL的鐵氰化鉀溶液中，20分鐘后取出，室溫下干燥，形成介體層，介體的含量可以通 過(guò)比較吸附前后碳納米管質(zhì)量的變化而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶15. 2U(葡萄糖氧化酶 購(gòu)買自 SIGMA-ALDRICH 公司，商品目錄號(hào)為:G7141 (1900U/mL，8 μ L)、殼聚糖 ΙΟΟμ g(10% 水溶液，1 μ L)和交聯(lián)劑(戊二醛)40 μ g(4%水溶液，1 μ L)的10 μ L混合液滴涂在介體層 上，室溫下干燥，形成酶層，得到葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生物染料電池的陽(yáng)極。所 制備的酶電極不用時(shí)保存在冰箱中(保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°C )，20天后在相同條件，對(duì)相 同濃度葡萄糖的催化氧化電流為原來(lái)的85%。該電極性能測(cè)試如

中圖4所示，其中，實(shí)線代表實(shí)施例1所制備的葡萄糖 氧化酶電極在PH為7. 4的磷酸緩沖溶液中，空氣飽和狀態(tài)下，葡萄糖濃度為20mM時(shí)的循環(huán) 伏安曲線，虛線代表未加葡萄糖時(shí)的循環(huán)伏安曲線。實(shí)驗(yàn)所用參比電極為Ag/AgCl參比電 極，對(duì)電極為鉬絲。對(duì)比可以得出所制備的電極對(duì)葡萄糖有很好的催化氧化作用。實(shí)施例4、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備4mg咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米球(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所合成，直徑0. 5 μ m， 參 考 Macromolecular Chemistry and Physics 207(18) 1633-1639 禾口 Analytical Chemistry 80(17) :6587_6593)具體合成過(guò)程為首先，碳納米球在3 1的硫酸和硝酸 混合液中超聲以引入羧基，得到的產(chǎn)物與亞硫酰(二)氯反應(yīng)引入酰氯基團(tuán)；然后，在三氯 化鐵催化作用下，酰氯基團(tuán)啟動(dòng)環(huán)氧氯丙烷對(duì)碳納米球進(jìn)行原位陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合，得到聚 醚接枝碳納米球；最后，與甲基咪唑反應(yīng)，得到咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米球。將其分散 在2mL蒸餾水中，室溫下連續(xù)超聲(超聲功率為50W，頻率為50Hz) 30分鐘，吸取7 μ L經(jīng)超 聲處理的碳納米球懸濁液涂覆在0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，室溫下干燥，將干燥后 的電極浸泡于濃度為lOmg/mL的鐵氰化鉀溶液中，20分鐘后取出，室溫下干燥，形成介體 層，介體的含量可以通過(guò)比較吸附前后碳納米球質(zhì)量的變化而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶 15. 2U (葡萄糖氧化酶購(gòu)買自SIGMA-ALDRICH公司，商品目錄號(hào)為:G7141 (1900U/mL, 8 μ L)、 殼聚糖100 μ g (10%水溶液，1 μ L)和交聯(lián)劑(戊二醛)40 μ g (4%水溶液，IyL)的10 μ L 混合液滴涂在介體層上，室溫下干燥，形成酶層，得到葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生 物染料電池的陽(yáng)極。所制備的酶電極不用時(shí)保存在冰箱中(保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°C)，20 天后在相同條件，對(duì)相同濃度葡萄糖的催化氧化電流為原來(lái)的80%。實(shí)施例5、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備
4mg聚吡咯陽(yáng)離子功能化的碳納米管(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所合成，直徑范圍 20 ~ 30nm, 5F^ixiS^J 0. 5 ~ 50 μ m, Analytical Chemistry 80(17) 6587-6593)
合成過(guò)程為首先，多壁碳納米管在3 1的硫酸和硝酸混合液中超聲以引入羧基，得到 的產(chǎn)物與亞硫酰(二)氯反應(yīng)引入酰氯基團(tuán)；然后，在三氯化鐵催化作用下，酰氯基團(tuán)啟 動(dòng)環(huán)氧氯丙烷對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行原位陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合，得到聚醚接枝碳納米管；最后， 與聚吡咯反應(yīng)，得到聚吡咯陽(yáng)離子功能化的碳納米管。將其分散在2mL蒸餾水中，室溫下 連續(xù)超聲(超聲功率為50W，頻率為50Hz)兩個(gè)小時(shí)，吸取5 μ L經(jīng)超聲處理的碳納米管懸 濁液涂覆在0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，室溫下干燥，將干燥后的電極浸泡于濃度為 lOmg/mL的鐵氰化鉀溶液中，20分鐘后取出，室溫下干燥，形成介體層，介體的含量可以通 過(guò)比較吸附前后碳納米管質(zhì)量的變化而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶(葡萄糖氧化酶購(gòu)買自 SIGMA-ALDRICH 公司，商品目錄號(hào)為G7141) 1. 9U(1900U/mL, 1 μ L)、牛血清蛋白 20 μ g(l% 水溶液，2 μ L)和交聯(lián)劑(戊二醛)10 μ g(l %水溶液，1 μ L)的4 μ L混合液涂覆在介體層 上，室溫下干燥，形成酶層，得到葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生物燃料電池的陽(yáng)極。所 制備的酶電極不用時(shí)保存在冰箱中(保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°c )，20天后在相同條件，對(duì)相 同濃度葡萄糖的催化氧化電流為原來(lái)的75%。實(shí)施例6、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備4mg聚苯胺陽(yáng)離子功能化的碳納米管(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所合成，直徑范圍 20 ~ 30nm, 5F^ixiS^J 0. 5 ~ 50 μ m, Analytical Chemistry 80(17) 6587-6593)
合成過(guò)程為首先，多壁碳納米管在3 1的硫酸和硝酸混合液中超聲以引入羧基，得到 的產(chǎn)物與亞硫酰(二)氯反應(yīng)引入酰氯基團(tuán)；然后，在三氯化鐵催化作用下，酰氯基團(tuán)啟 動(dòng)環(huán)氧氯丙烷對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行原位陽(yáng)離子開(kāi)環(huán)聚合，得到聚醚接枝碳納米管；最后， 與聚苯胺反應(yīng)，得到聚苯胺陽(yáng)離子功能化的碳納米管。將其分散在2mL蒸餾水中，室溫下 連續(xù)超聲(超聲功率為50W，頻率為50Hz)兩個(gè)小時(shí)，吸取5 μ L經(jīng)超聲處理的碳納米管懸 濁液涂覆在0. 07平方厘米的玻碳基底電極上，室溫下干燥，將干燥后的電極浸泡于濃度為 lOmg/mL的鐵氰化鉀溶液中，20分鐘后取出，室溫下干燥，形成介體層，介體的含量可以通 過(guò)比較吸附前后碳納米管質(zhì)量的變化而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶(葡萄糖氧化酶購(gòu)買自 SIGMA-ALDRICH 公司，商品目錄號(hào)為G7141) 1. 9U(1900U/mL, 1 μ L)、牛血清蛋白 20 μ g(l% 水溶液，2 μ L)和交聯(lián)劑(戊二醛)10 μ g(l %水溶液，1 μ L)的4 μ L混合液涂覆在介體層 上，室溫下干燥，形成酶層，得到葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生物燃料電池的陽(yáng)極。所 制備的酶電極不用時(shí)保存在冰箱中(保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°c )，20天后在相同條件，對(duì)相 同濃度葡萄糖的催化氧化電流為原來(lái)的72%。實(shí)施例7、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備將4mg實(shí)施例1中制備的咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米管(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究 所合成，直徑范圍20 30nm，平均長(zhǎng)度為0. 5 50 μ m，Analytical Chemistry 80 (17) 6587-6593)分散在2mL蒸餾水中，室溫下連續(xù)超聲(超聲功率為50W，頻率為50Hz)兩個(gè) 小時(shí)，吸取5. 9 μ L經(jīng)超聲處理的碳納米管懸濁液涂覆在0. 07平方厘米的玻碳基底電極 上，室溫下干燥，將干燥后的電極浸泡于濃度為10mg/mL的[Mo (CN) 8] 3_Λ_溶液中，20分鐘 后取出，室溫下干燥，形成介體層，介體的含量可以通過(guò)比較吸附前后碳納米管質(zhì)量的變化 而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶(葡萄糖氧化酶購(gòu)買自SIGMA-ALDRICH公司，商品目錄號(hào)為G7141)1.9U(1900U/mL，lyL)、牛血清蛋白20 μ g(1 %水溶液，2 μ L)和交聯(lián)劑(戊二 醛) ομ g(l%水溶液，1 μ L)的4μ L混合液涂覆在介體層上，室溫下干燥，形成酶層，得到 葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生物燃料電池的陽(yáng)極。所制備的酶電極不用時(shí)保存在冰 箱中(保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°c )，20天后在相同條件，對(duì)相同濃度葡萄糖的催化氧化電流 為原來(lái)的78%。實(shí)施例8、介體型生物燃料電池陽(yáng)極的制備將4mg實(shí)施例1中制備的咪唑陽(yáng)離子功能化的碳納米管(中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究 所合成，直徑范圍20 30nm，平均長(zhǎng)度為0. 5 50 μ m，Analytical Chemistry 80 (17) 6587-6593)分散在2mL蒸餾水中，室溫下連續(xù)超聲(超聲功率為50W，頻率為50Hz)兩個(gè) 小時(shí)，吸取0. 7 μ L經(jīng)超聲處理的碳納米管懸濁液涂覆在0. 07平方厘米的玻碳基底電極 上，室溫下干燥，將干燥后的電極浸泡于濃度為lOmg/mL的[Os (CN) 6] 3_Λ_溶液中，20分鐘 后取出，室溫下干燥，形成介體層，介體的含量可以通過(guò)比較吸附前后碳納米管質(zhì)量的變化 而計(jì)算。將含有葡萄糖氧化酶(葡萄糖氧化酶購(gòu)買自SIGMA-ALDRICH公司，商品目錄號(hào) 為:G7141)15. 2U(1900U/mL，8yL)、牛血清蛋白20 μ g(l %水溶液，2 μ L)和交聯(lián)劑(戊二 醛)10 μ g (1 %水溶液，1 μ L)的4 μ L混合液涂覆在介體層上，室溫下干燥，形成酶層，得到 葡萄糖氧化酶電極，該電極可作為生物燃料電池的陽(yáng)極。所制備的酶電極不用時(shí)保存在冰 箱中(保存時(shí)設(shè)定的溫度為4°c )，20天后在相同條件，對(duì)相同濃度葡萄糖的催化氧化電流 為原來(lái)的82%。
權(quán)利要求
一種介體型酶電極，包括基底電極、包覆于所述基底電極上的碳納米材料層、包覆于所述碳納米材料層上的介體層以及包覆于所述介體層上的酶層；其中，所述碳納米材料層由陽(yáng)離子功能化的碳納米材料組成；所述酶層包括下述a)或b)或c)的物質(zhì)a)氧化酶；b)氧化酶、惰性蛋白和交聯(lián)劑交聯(lián)形成的固定化酶；c)氧化酶、生物高聚物和交聯(lián)劑交聯(lián)形成的固定化酶。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的介體型酶電極，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或其任意組合；所述陽(yáng)離子為聚吡咯陽(yáng)離子、聚苯 胺陽(yáng)離子、咪唑陽(yáng)離子和吲哚陽(yáng)離子中的一種或其任意組合；所述介體為[Mo(CN)8]3-/4-、 [W(CN)6]3_λ_、[Fe(CN)J3v4IP [Os (CN)6]中的一種或其任意組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的介體型酶電極，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 170μ g ；所述介體層中，每平方厘米基底電 極上介體的含量為10 30 μ g ；所述酶層中，每平方厘米基底電極上所述氧化酶的含量為 1. 4 217. 2U。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的介體型酶電極，其特征在于所述惰性蛋白為牛血 清蛋白、人血清蛋白和白明膠中的一種或其任意組合；所述生物高聚物為纖維素、淀粉、殼 聚糖和瓊脂糖中的一種或其任意組合；形成所述固定化酶所用的交聯(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1-4中任一所述的介體型酶電極，其特征在于所述碳納米管、碳納米 纖維的直徑為1 500nm，優(yōu)選為1 10nm，平均長(zhǎng)度為0. 5 50 μ m，優(yōu)選為5 15μπι ； 所述碳納米球的直徑為10 500nm。
6.制備權(quán)利要求1-5中任一所述介體型酶電極的方法，包括以下步驟1)將權(quán)利要求1-5中任一所述的碳納米材料進(jìn)行連續(xù)超聲處理，然后將連續(xù)超聲處理 后的碳納米材料涂覆于基底電極上，室溫干燥；2)將經(jīng)過(guò)步驟1)處理的基底電極浸泡于權(quán)利要求1-5中任一所述介體的溶液中， 10 30分鐘后取出，室溫干燥，形成介體層；3)將含有下述a)或b)或c)的物質(zhì)的溶液涂覆于介體層上，室溫干燥，在所述介體層 上形成酶層，即得到所述的介體型酶電極；所述a)為氧化酶；b)為氧化酶、交聯(lián)劑和惰性蛋 白；c)為氧化酶、交聯(lián)劑和生物高聚物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述步驟1)的連續(xù)超聲處理在蒸餾水、 乙腈或者乙醇中進(jìn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于步驟1)中將碳納米材料涂覆于基底 電極上的方法用碳納米材料的溶液進(jìn)行涂覆，所述碳納米材料溶液的濃度為2mg/ml，使 每平方厘米基底電極上碳納米材料的量為20-170 μ g。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8任一所述的方法，其特征在于步驟3)中將含有a)或b)或c)的 物質(zhì)的溶液涂覆于介體層上時(shí)，每平方厘米基底電極使用含有如下用量的混合溶液酶溶 液中含有100 1900U/mL的氧化酶溶液14. 2 114. 3 μ L、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5 10%的惰性 蛋白溶液或者生物高聚物溶液14. 2 85. 7 μ L、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5 6%的交聯(lián)劑溶液7. 1 57. 1 μ Lo
10.權(quán)利要求1-5中任一所述的介體型酶電極作為生物燃料電池陽(yáng)極的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種介體型生物燃料電池陽(yáng)極及其制備方法。該電極包括基底電極、包覆于所述基底電極上的碳納米材料層、包覆于所述碳納米材料層上的介體層以及包覆于所述介體層上的酶層。其中，所述碳納米材料層由陽(yáng)離子功能化的碳納米材料組成；所述酶層包括下述a)或b)或c)的物質(zhì)a)氧化酶；b)氧化酶、惰性蛋白和交聯(lián)劑交聯(lián)形成的固定化酶；c)氧化酶、生物高聚物和交聯(lián)劑交聯(lián)形成的固定化酶。本發(fā)明的介體型生物燃料電池陽(yáng)極具有容易制備、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是，該電極對(duì)底物的氧化在中性pH條件下進(jìn)行，所用的底物為自然界中廣泛存在的物質(zhì)。因此，采用該方法制備的介體型生物燃料電池陽(yáng)極在生物燃料電池的研究中有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01M4/96GK101908630SQ20091008523
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2009年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月4日
發(fā)明者張軍, 林雨青, 毛蘭群, 王尚華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所