[发明专利]一种用于生物燃料电池的电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种用于生物燃料电池的电极材料及其制备方法和应用。制备方法包括如下步骤：将导电玻璃ITO进行预处理；采用电化学沉积法，在导电玻璃ITO表面沉积一层均匀的氧化锌纳米颗粒，得到ITO‑ZnO；于ITO‑ZnO上依次滴涂石墨烯材料和葡萄糖氧化酶GOx水溶液，干燥，得到电极材料ITO‑ZnO‑GA‑GOx。本发明提供的生物燃料电池用电极材料制备简单，条件温和，安全性高，且在光照条件下可以达到较大的功率密度。

技术领域

本发明属于生物燃料电池电极材料领域，具体地说涉及光催化生物燃料电池光阳极的制 备及应用。

背景技术

生物燃料电池(Biofuel cell,BFC)是一类利用酶或微生物等生物质作为催化剂直接将燃 料中的化学能转化为电能的特殊装置，它既具有普通燃料电池的特点，又具有自身的优势。 首先，所需的燃料来源广泛，可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机物、无机物和微 生物的代谢物、发酵产物作为燃料；其次，BFC的操作条件比较温和，一般只需要在常温、 常压、接近中性的环境中工作，因此电池的维护成本低、安全性强。

近年来，由于太阳能的高效利用，将光照与催化剂相结合的光催化是近些年来的研究热 点。在光照条件下，催化剂获得能量被激发产生光生电子和空穴，从而得到活性物种进一步 催化燃料分解。通常采用金属氧化物半导体材料作为电极催化剂，而不是贵金属催化剂，具 有价格低廉、稳定性高等明显优势。光催化过程中主要利用光阳极中产生的空穴来进行氧化， 光生电子被驱赶至阴极，并没有被有效利用，从而造成了能量的浪费，因此光生载流子的快 速分离和转移过程是实现高转换效率的关键。降低电荷复合的一种潜在方法是通过在活性材 料之间引入新的电子转移通道来改善电荷分离，石墨烯材料由于其独特的二维结构、优越的 化学稳定性和卓越的导电性能被广泛应用。半导体光催化剂在受合适光源照射后产生的光生 电子-空穴对很容易重新结合而使得光催化活性降低，将石墨烯材料与半导体光催化剂复合 后，石墨烯结构中存在的离域大π键，可以作为一个大的电子接受器，在合适光源的照射下， 光生电子可以向石墨烯材料表面转移从而降低了电子-空穴对重新复合的机率，进而可以提高 材料的光催化效率。将光催化与酶催化进行耦联对葡萄糖协同氧化，实现光生载流子的快速 分离和转移，从而使生物燃料电池获得较大的功率密度。

发明内容

针对生物燃料电池电极材料发展的需求，本发明提供一种工艺简单的光催化生物燃料电 池光阳极的制备方法及应用，将光催化与酶催化耦合，应用于酶生物燃料电池中表现出较好 的催化性能以及较大的功率密度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于生物燃料电池的电极材料，制备 方法包括如下步骤：

1)将导电玻璃ITO进行预处理。

优选的，将导电玻璃ITO进行预处理是：将导电玻璃ITO依次用丙酮、乙醇和超纯水分 别超声清洗10min后，用氮气吹干。

2)采用电化学沉积法，在导电玻璃ITO表面沉积一层均匀的氧化锌纳米颗粒，得到ITO-ZnO。

优选的，以预处理的导电玻璃ITO为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂为对电极， 将三电极体系置于硝酸锌溶液中，在温度为20-60℃下，电沉积1200s，于导电玻璃ITO表面 沉积一层均匀的氧化锌纳米颗粒，得到ITO-ZnO。

优选的，所述硝酸锌溶液为，pH＝6，浓度为0.1mol/L的硝酸锌溶液。

3)于ITO-ZnO上依次滴涂石墨烯材料和葡萄糖氧化酶GOx水溶液，干燥，得到电极材 料ITO-ZnO-GA-GOx。

优选的，所述石墨烯材料是，石墨烯气凝胶GA与浓度为0.5％的nafion溶液的混合溶液。

更优选的，混合溶液中，石墨烯气凝胶GA的浓度为1-5mg/mL。