本发明专利技术公开了一种高抗干扰性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、涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层以及覆盖于所述酶层上的疏水离子液体层；其中，所述酶层包括下述ａ）或ｂ）的物质：ａ）漆酶，ｂ）经交联剂交联的漆酶。该生物燃料电池阴极对ｐＨ、氯离子和抗坏血酸等对漆酶活性有较大影响的因素有很好的抗干扰能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及。
技术介绍
酶型生物燃料电池，作为当前国际上的研究热点之一(Yan et al.， Carbon-Nanotube-Based Glucose/02Biofuel Cells. Adv. Mater. 2006，18，2639-2643)，其 在活体可植入式设备电源、微型传感装置电源等领域有着广泛的潜在应用前景。但是，由于 使用酶作为催化剂，当前酶型生物燃料电池很难用于实际的溶液体系(如生理体液环境)。禾口H旦 工(Mano et al. Characteristics of a MiniatureCompartment-Iess Glucose-O2Biofuel Cell and Its Operation in a Living Plant. J. Am. Chem. Soc. 2003，125,6588-6594)是目前两种备受关注的酶型生物燃料电池氧气阴极生物催化 剂(Soukharev et al. A Four-Electron O2-Electroreduction BiocatalystSuperior to Platinum and a Biofuel Cell Operating at 0.88V. J. Am. Chem. Soc. 2004,126, 8368-8369)。其中，漆酶具有式电位高、催化效率高的特点，但是，其只能在弱酸性环境中 保持生物催化活性，并且，其生物活性易受氯离子等的影响；胆红素氧化酶虽然能够在中性 溶液中保持生物催化活性，然而，其还原氧气时式电位较低，并且，其生物活性容易受到尿 酸等物质的影响。同时，这些基于氧气还原的生物阴极的性能往往受到溶液中易氧化物质 (如抗坏血酸等)的影响。首先，这些易氧化物质能够通过酶催化反应，降低氧气生物电 化学催化还原的效率；其次，易氧化物质通过直接电化学氧化反应，降低氧气阴极的输出电 压。迄今为止，尚没有合适的技术手段能够克服上述各种物质对于生物燃料电池阴极性能 的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。本专利技术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、涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层以及覆盖于所述酶层上的疏水离子液体 层；其中，所述酶层包括下述a)或b)的物质a)漆酶，b)经交联剂交联的漆酶。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20-100yg; 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；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。在所述酶层中，所述漆酶相对每平方厘米基底电极的含量为2-150U。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 厘米基底电极上使用质量分数为1-5 %的戊二醛溶液0. 5-4 μ 1。在所述疏水离子液体层中，所述疏水离子层的厚度为0. 3-2cm ；所述疏水离子液体为1- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸、2-乙基咪唑六氟磷酸、2-丙基咪唑六氟磷酸、2-乙 基-4-甲基咪唑六氟磷酸和2-苯基咪唑六氟磷酸中的一种，优选为1- 丁基-3-甲基咪唑 六氟磷酸。本专利技术所提供的制备上述高抗干扰性酶型生物燃料电池电极的方法，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)或b)的物质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；所述a)为漆酶，所述b)为漆酶和交联剂；3)将疏水离子液体覆盖于酶层上，得到所述酶电极。其中，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。所述步骤1)的有机溶剂具体可为二甲基甲酰胺、丙酮、乙醇或N-甲基-2-吡咯烷 酮，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。本专利技术中，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1 10小时。本专利技术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，且这些 有机溶剂可与漆酶溶液混合形成质量分数为5 50%的混合液。本专利技术中利用碳纳米材料实现了漆酶的直接电化学，并得到了十分优异的催化结 果；利用疏水离子液体解决了交叉干扰问题，得到了在中性溶液中不受氯离子、抗坏血酸干 扰的漆酶阴极。本专利技术首先是通过将分散好的碳纳米材料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活化后涂敷于碳 纳米材料层上形成酶层，为了增加酶层的稳定性还可选用交联剂进行酶之间的固定，最后 将离子液体覆盖于酶层之上阻断多种离子或物质对漆酶的干扰，完成阴极的制备。该阴极在pH7的缓冲溶液中实现了漆酶对氧气的还原，结果类似于酸性溶液中无 离子液体时漆酶的氧还原数据，而且对抗坏血酸、氯离子等有很好的抗干扰性，可在这两种 干扰物质大量存在的情况下，获得与干扰物质不存在时类似的氧还原结果，说明该阴极在 中性环境中工作仍然能够正常工作；同时该阴极在PH 7溶液中催化氧还原有较高的稳定 性，50次循环后催化电流几乎没有变化。这样可以将漆酶的应用由偏酸性溶液移到接近实 际体系的中性溶液中。此外，漆酶的活性要优于胆红素氧化酶，且比较耐用，来源广泛，氧还 原电位高，因此中性溶液中漆酶直接电化学的实现为酶型生物燃料电池的研制提供了可能。附图说明图1为高抗干扰性生物燃料电池阴极示意图；其中，1表示碳纳米纤维或碳纳米4管，2表示碳纳米球，3表示漆酶，4斜线部分表示在酶层外用紧贴基底电极且有一定高度的 塑料容器固定的疏水离子液体层，高约0. 3 2cm，5表示基底电极。图2为实施例3制备的高抗干扰性生物燃料电池阴极氧还原循环伏安图。图3为实施例4中抗坏血酸影响下生物燃料电池阴极开路电位图。具体实施例方式下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。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 冲溶液本文档来自技高网...
【技术保护点】
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、和涂敷于所述碳纳米材料层上的酶层以及覆盖于所述酶层上的疏水离子液体层；其中，所述酶层包括下述ａ）或ｂ）的物质：ａ）漆酶，ｂ）经交联剂交联的漆酶。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：毛兰群，苏磊，林雨青，周豪杰，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。