[发明专利]一种生物燃料电池阳极及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于生物燃料电池技术领域，特别涉及一种生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。

背景技术

生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的装置，按照催化剂类型不同，可分为酶生物燃料电池和微生物燃料电池。大多数生物燃料电池只在阳极使用生物催化剂，阴极部分与一般的燃料电池没有什么区别，这是由于生物燃料电池同样以空气中的氧气作为氧化剂。因此在生物燃料电池领域的研究工作也多是针对电池阳极区的。生物燃料电池除在理论上具有很高的的能量转化率、无污染等优点外，还具有以下优点：1）原料广泛，可以利用一般燃料电池不能利用的多种有机物、无机物作为燃料，甚至可以利用光合作用或直接利用污水等；2）操作条件温和，一般是在常温、常压、接近中性的环境中工作，使电池维护成本低、安全性强；3）生物相容性好，利用人体的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官或生物传感器的电源。然而将生物燃料电池作为电源应用于实际生产与生活还是比较遥远的。其主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。制约生物燃料电池输出功率密度的最大因素是电子传递过程。按照Marcus和Sutin提出的理论，电子转移率由电势差、重组能和电子供体与受体之间的距离决定。理论和实验均表明，随传递距离的增加，电子转移速率呈指数下降的趋势。对于酶生物燃料电池，大多数酶的活性中心深埋在酶的内部，仅仅是酶分子蛋白质外壳的厚度就足以对电子活性中心到电极的直接传递过程产生屏蔽作用，很难实现与电极之间的电子转移。国内外研究工作者已对酶的负载体及电子传递介体进行了不懈的研究，但载体和介体的不易定量、容易脱落等问题，限制了电池的功率性、稳定性和重现性。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种生物燃料电池阳极。

本发明的另一目的在于提供所述的生物燃料电池阳极的制备方法。

本发明的再一目的在于提供所述的生物燃料电池阳极的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种生物燃料电池阳极，是以基底电极为中心，由内到外依次为纳米材料层、介体层和酶层；

所述的纳米材料层中的材料为分子筛；优选为氨基功能化的分子筛；

所述的分子筛优选为比表面积为大于1000m²/g、孔径为3～7nm、孔容为0.90～1.10mL/g的ZSM-5沸石分子筛；

所述的介体层材料为硫堇（Th）；

所述的酶层中的酶优选为氧化酶；

在每平方厘米所述的基底电极上，所述的纳米材料层中分子筛的含量为37.5～50μg；所述的酶层中的酶的含量为80～112U；

所述的生物燃料电池阳极的制备方法，包含以下步骤：

（1）将分子筛进行氨基功能化，功能化后的分子筛分散于水中，超声；然后和Nafion溶液混合得到分散均匀的分散液，将得到的分散液涂覆于基底电极上，干燥，形成包裹在基底电极的纳米材料层；

（2）将步骤（1）得到的含有纳米材料层的电极置于硫堇溶液中浸泡，取出，干燥，形成介体层；

（3）将交联剂、惰性蛋白、酶和水混合，得到酶层溶液；将酶层溶液覆于介体层上，2～8℃过夜干燥，在介体层上形成酶层，此时得到生物燃料电池阳极；

步骤（1）中所述的将分子筛进行氨基功能功化的具体步骤参见文献“Surface-modified Y zeolite-filled chitosan membrane for direct methanol fuel cell,J.Power Sources，2007，173：842–852.”，具体如下：将分子筛、3-氨丙基-3-乙氧基硅烷（3-Aminopropyl-triethoxysilane,APTES）和甲苯按照体积比1:2:20的比例混合，在110℃下，搅拌回流24h，过滤，用乙醇和蒸馏水清洗，洗去多余的硅烷残渣，然后100℃真空干燥，得到氨基功能功化的分子筛；

步骤（1）中所述的分子筛优选为ZSM-5沸石分子筛；

步骤（1）中所述的分子筛与所述的Nafion溶液优选按（0.25～0.5）mg：500μl配比；

步骤（1）中所述的纳米材料层的含量按如下基准计算：每平方厘米基底电极上分子筛的含量为37.5～50μg；

步骤（1）中所述的超声的条件优选为与50W、50Hz超声3min；

步骤（2）中所述的浸泡的时间优选为3h；

步骤（2）中所述的硫堇溶液的浓度优选为5mmol/L；