[发明专利]一种太阳能生物制氢的纳米器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备氢气的纳米器件，具体涉及一种利用太阳能，通过生物方法制备氢气的纳米器件。

背景技术

由于世界原油供应不足及环境污染等问题的日益严峻，氢气以它的可再生、无污染、且燃烧时释放能量高等特点，作为一种绿色能源受到广泛关注。

目前，工业上制备氢气的方法按照使用原材料的不同大致可分为以下两种：1）矿物燃料制氢；2）电解水制氢。其中矿物燃料制氢是以煤、石油及天然气为原料制取氢气，是当今制取氢气的主要方法。该方法在我国具有成熟的工艺，且工业生产装置相对完善。但以不可再生的能源为原材料制备氢气，使得该方法在未来的发展受到限制。另一种电解水制氢也是目前应用较广且比较成熟的技术之一。该方法以水为原料，制氢的过程是氢与氧燃烧生成水的逆反应。电解水制得氢气的效率一般在75-85％，其工艺过程简单，无污染，但消耗电量大。因此，急需一种新的可高效、无污染且节约能源的方法来制备氢气。

发明内容

本发明提供一种利用太阳能，通过生物方法有效制备氢气的新型纳米器件。旨在解决现阶段制氢方法在环境污染、能源消耗、产氢效率等方面的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种太阳能生物制氢纳米器件，包括：金属基板、光致电子供体、取向α-螺旋多肽单分子膜和氢化酶；

优选地，所述光致电子供体与所述取向α-螺旋多肽单分子膜通过自组装法固定在所述金属基板的表面，所述氢化酶固定在所述单分子膜的表面；

优选地，所述氢化酶通过与所述多肽分子N-末端氨基发生缩合反应固定在所述单分子膜的表面；

优选地，所述金属基板为纳米发电机的一个电极；

优选地，所述纳米发电机为压电纳米发电机、摩擦电纳米发电机或压电和摩擦电混合纳米发电机；

优选的,所述压电纳米发电机包括：高分子聚合物衬底、第一电极、压电材料层和第二电极；

优选地，所述高分子聚合物衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺膜；

优选地，所述压电材料层为压电材料纳米线阵列或取向压电材料薄膜；

优选地，所述压电纳米发电机、摩擦电纳米发电机及摩擦电与压电混合纳米发电机中的两个电极材料均可以相同或不同，并且均选自金、银、铜和镍；

优选地，所述两个电极材料相同，并且均为金；

优选地，所述光致电子供体为含有二茂铁结构的一系列硫醇，结构通式为：n=2-10；

优选地，所述多肽的分子序列为能够形成α-螺旋结构的一系列氨基酸序列，所述氨基酸数为8-24；

优选地，所述氨基酸C-末端接枝有分子末端含有氨基的硫醇、硫醚或二硫醚等有机硫化物；

优选地，所述硫醇的通式为n=2-10，所述硫醚的通式为n=2-10，所述二硫醚的通式为n=2-10；

优选地，所述氢化酶为唯铁氢化酶。

本发明还提供一种取向α-螺旋多肽单分子膜的制备方法，其特征在于包含以下步骤：将纳米发电机的一个金属电极浸没在含有α-螺旋多肽分子的成膜溶液中，并在对所述纳米发电机施加外界应力使所述电极带正电的情况下，通过自组装反应在所述金属电极表面形成所述单分子膜；

优选地，所述纳米发电机为压电纳米发电机、摩擦电纳米发电机或压电和摩擦电混合纳米发电机；

优选地，所述成膜溶液中所述α-螺旋多肽分子的浓度为0.1mM-10mM；

优选地，所述成膜溶液中使用的溶剂选自水或有机溶剂，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、三氟代乙醇、甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、二甲基亚砜等；

优选地，所述自组装反应时间为6-24小时。

本发明还提供一种前述太阳能生物制氢纳米器件的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

（1）使用前述取向α-螺旋多肽单分子膜的制备方法，在所述纳米发电机的一个金属电极上制备所述取向α-螺旋多肽单分子膜，并且所述成膜液中同时含有所述光致电子供体；

（2）将所述纳米发电机中组装有所述单分子膜的电极浸没于含有所述氢化酶分子的水溶液中进行反应，从而将所述氢化酶分子固定在所述单分子膜的表面；

优选地，所述成膜溶液中所述光致电子供体与所述多肽分子的摩尔浓度比为0.1-10；

优选地，所述氢化酶在水溶液中的浓度优选0.05-1unit/mL；

优选地，所述氢化酶水溶液中还含有缩合反应催化剂，所述催化剂为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐及1-羟基苯并三唑；