[发明专利]一种甘油催化生物燃料电池阳极及其制备方法与应用

说明书

本发明属于电化学生物燃料电池领域，公开了一种甘油催化生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。所述制备方法为：对基底电极进行表面预处理，然后将Nafion溶液滴加到电极表面形成一层Nafion膜；然后把此电极插入麦尔多拉蓝水溶液中浸泡，使麦尔多拉蓝通过离子交换固定到Nafion膜中；将电极取出后洗净、干燥，得到含有介体层的电极；再将含石墨烯的壳聚糖溶液、乙醇脱氢酶水溶液、乙醛脱氢酶水溶液及辣根过氧化物酶水溶液按比例混合均匀，滴加到上述电极表面，晾干后得到甘油催化生物燃料电池阳极。本发明的产物具有成本低，催化剂及介体负载量大，催化性能好等优点，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学生物燃料电池领域，具体涉及一种甘油催化生物燃料电池阳极及其制备方法与应用。

背景技术

生物燃料电池是一种以生物发电方式将生物能和化学能转化为电能的装置，其系统中至少有一部分是以微生物组织或酶为电池反应催化剂。生物燃料电池按催化方式的不同可分为两类：一类是酶生物燃料电池，即直接利用从生物体中分离出来的不同氧化还原酶作为催化剂；另一类是微生物燃料电池，使用整体微生物作为催化剂，实际上是间接利用微生物体内的酶。

研究发现，酶电极具有很高的催化活性，与传统的以Pt等贵金属为催化电极的燃料电池相比，具有以下特点：(1)酶电极具有很高的选择性和专一性，故催化效率比较高；(2)原料来源广泛，可以利用多种天然有机物作为燃料，还可以利用传统燃料电池不能利用的各种无机物、有机物及微生物呼吸的代谢产物、光合作用产物、发酵产物甚至污水等作为燃料；(3)工作条件温和，一般都在近中性的常温常压下运行。

目前，制约酶生物燃料电池发展的关键问题有两个：(1)输出功率(输出电流、电压)低。人们普遍认为酶电极的电子传递过程是限制酶生物燃料电池输出功率的关键因素，这与电极材料和酶本身的结构有关。大多数酶由于蛋白质外壳的屏蔽作用，很难实现与电极之间的直接电子转移过程。虽然引入电子介体为电子的传递提供了有效通道，但其综合结果还远远达不到实际应用的要求。因此，利用各种途径(如加入纳米颗粒、导电聚合物等对酶电极进行修饰)实现酶与电极之间的直接电子传递过程是提高输出功率的重要手段。另外，电极表面酶的负载量低也是导致输出功率低的重要因素，所以增加酶催化剂在电极表面的固定量也是提高输出功率的重要方法。(2)电池寿命短。影响使用寿命的关键因素就是酶催化剂本身的稳定性。酶是一种有催化能力的蛋白质，它的活性很容易受环境因素(如温度、pH、溶液中离子的组成与浓度等)的影响。研究发现，一般天然酶在溶液中的半衰期只有7-8h，但如果将其固定化，寿命可长达45天左右。因此，采用各种固定化技术将酶催化剂固定在电极表面是提高使用寿命的重要途径。综合而言，提高性能的最有效途径就是选择适合酶催化剂的固定化方法和材料。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种甘油催化生物燃料电池阳极。

本发明的另一目的在于提供上述甘油催化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上述甘油催化生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种甘油催化生物燃料电池阳极，所述阳极是以基底电极为中心，由内到外依次为介体层和酶层。

优选地，所述的基底电极是指玻碳电极。

所述介体层的材料优选为Nafion膜固定的麦尔多拉蓝(MB)。

优选地，所述的酶层由石墨烯壳聚糖、乙醇脱氢酶(ADH)、乙醛脱氢酶(AldDH)和辣根过氧化物酶组成。

上述甘油催化生物燃料电池阳极的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)对基底电极进行表面预处理；