[发明专利]一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学酶生物燃料电池领域，具体涉及一种基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备方法与应用。

背景技术

酶生物燃料电池是采用氧化还原酶作为催化剂催化燃料氧化的生物燃料电池，在阳极产生氢离子和自由电子，阴极利用氢离子和自由电子将过氧化物还原为水，从而完成电子的流动，将化学能转化为电能。

在酶生物燃料电池应用中，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，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，采用各种固定化技术(如利用生物高分子)将酶催化剂固定在电极表面是提高使用寿命的重要途径。

在现有酶生物燃料电池中，作为催化剂的酶外层自身包裹蛋白质，该蛋白质层不导电，应用到燃料电池中会影响电子直接向外传导的速率；而且在现有的酶生物燃料电池中，电池性能还会受到某些电活性物质的干扰；同时现有的酶的吸附量小，吸附不稳定。

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具有良好的选择性、灵敏度和稳定性的基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极，特别是酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极；

本发明的另一目的在于提供上述基于聚吡咯的酶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基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极在制备生物传感器和/或制备生物燃料电池的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极，以基底电极为中心，由内到外依次是介体层和酶层，介体层的材料为聚吡咯膜，酶层由甘油激酶(GK)水溶液、甘油3-磷酸氧化酶(GPO)水溶液及壳聚糖(CS)的醋酸溶液制备而成。

上述基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极的制备方法，包括以下步骤：

(1)对基底电极进行表面预处理；

(2)在步骤(1)经过预处理的电极表面制备聚吡咯膜；

(3)将甘油激酶水溶液、甘油3-磷酸氧化酶水溶液及壳聚糖的醋酸溶液混合均匀，得复合溶液；

(4)将复合溶液滴加到步骤(2)的制备有聚吡咯膜的电极表面，室温晾干，得到酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。

步骤(1)中所述的表面预处理过程如下：将基底电极的表面依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al₂O₃粉末抛光成镜面，再用水冲洗；然后依次在无水乙醇和水中超声清洗，取出用水洗净，晾干，然后置于铁氰化钾溶液中(5mMK₃Fe(CN)₆+0.2M KCl)在0～0.8V下采用循环伏安法扫描进行电极活化处理。

步骤(2)中所述的聚吡咯膜的制备，包括以下步骤：

(a)将吡咯单体进行旋转蒸发预处理，然后配成吡咯水溶液；

(b)将电极采用循环伏安法在吡咯水溶液中进行电化学聚合，晾干，得到覆盖在电极表面的聚吡咯膜。

步骤(a)中所述旋转蒸发预处理的条件为60～80℃旋转蒸发1.5～2.5h，经过旋转蒸发可较好解决吡咯单体放置一定时间后会发生自氧化聚合的问题。

步骤(a)中所述吡咯水溶液中需加入LiClO₄，溶液中LiClO₄的浓度为0.1M，吡咯的浓度为0.05～0.15M。

步骤(b)中所述电化学聚合的条件为聚合电位为-1～1V，聚合圈数为4～16，扫速为50mV/s。

步骤(3)中所述壳聚糖的醋酸溶液中壳聚糖的质量分数为0.15～0.25％，壳聚糖的醋酸溶液是采用醋酸溶液与壳聚糖配制而成的，所述醋酸的浓度为0.1M。

步骤(3)中所述甘油激酶水溶液的浓度为20～50mg/mL，甘油3-磷酸氧化酶水溶液的浓度为20～50mg/mL。

步骤(3)中所述复合溶液中甘油激酶水溶液、甘油3-磷酸氧化酶水溶液及壳聚糖的醋酸溶液的体积比为1:1:1.

步骤(4)中所述复合溶液滴加量为5～20μL。

上述基于聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极在制备生物传感器和/或生物燃料电池中的应用。

本发明的原理：