[发明专利]一种利用活体植物发电的酶生物燃料电池

权利要求书

1.一种利用活体植物发电的酶生物燃料电池，包括生物阳极、生物阴极以及电解质琼脂糖水凝胶；

所述生物阳极，包括碳布，以及在所述碳布上依次叠加的三维氮掺杂碳层、介体层、葡萄糖脱氢酶层；

所述生物阴极，包括碳布，以及在所述碳布上依次叠加的三维氮掺杂碳层、胆红素氧化酶层；

所述琼脂糖水凝胶由1％琼脂糖溶液制备。

2.根据权利要求1所述的酶生物燃料电池，其特征在于：所述酶生物燃料电池是以活体植物中的生物流体葡萄糖作为生物燃料；

所述介体为1,4-萘醌；

所述生物阳极中，在每平方厘米所述的碳布上，所述三维氮掺杂碳的含量为0.07～0.35mg；所述1,4-萘醌的含量为0.001～0.004mmol；所述葡萄糖脱氢酶的含量为188.3～753.2U；

所述生物阴极中，在每平方厘米所述的碳布上，所述三维氮掺杂碳的含量为0.2～1.0mg；所述胆红素氧化酶的含量为44.4～177.6U。

3.一种用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置，包括eppendorf尖底塑料管、所述生物阳极、所述生物阴极以及电解质琼脂糖水凝胶；

所述eppendorf尖底塑料管的尖端底部切割成尖锐的形状，并在尖端的侧壁上钻出一个孔；所述eppendorf尖底塑料管的尖端填充有琼脂糖水凝胶；所述生物阳极穿过所述孔，并插入孔附近的琼脂糖水凝胶中；所述生物阴极的修饰一侧置于琼脂糖水凝胶上，另一侧与空气直接接触。

4.根据权利要求3所述的酶生物燃料电池装置，其特征在于：利用活体植物发电时，将所述塑料管的尖端插入活体植物中，插入的深度为1cm。

5.一种植物激活酶生物燃料堆栈，包括若干个权利要求3或4所述的用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置；所述用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置之间通过串联和/或并联连接。

6.根据权利要求5所述的植物激活酶生物燃料堆栈，其特征在于：每个所述用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置分别插入单个植物或由植物切割成的独立的分裂部分。

7.一种用于酶促生物燃料电池的生物阳极，包括碳布，以及在所述碳布上依次叠加的三维氮掺杂碳层、介体层、葡萄糖脱氢酶层。

8.根据权利要求7所述的生物阳极，其特征在于：所述葡萄糖脱氢酶层上还设有Nafion膜；

所述介体为1,4-萘醌；

在每平方厘米所述的碳布上，所述三维氮掺杂碳的含量为0.07～0.35mg；所述1,4-萘醌的含量为0.001～0.004mmol；所述葡萄糖脱氢酶的含量为188.3～753.2U。

9.权利要求7或8所述生物阳极的制备方法，包括下述下述步骤：

1)将三维氮掺杂碳的悬浮液滴涂在所述碳布的亲水一侧上，干燥除溶剂；

2)将介体溶液涂布于步骤1)处理后的碳布表面，干燥除溶剂；

3)将葡萄糖脱氢酶溶液施加到步骤2)处理后的碳布表面，去除溶剂即得；

优选的，所述步骤1)中，所述三维氮掺杂碳(3D-NCAIN)的悬浮液的浓度为2～10mg/mL，采用DMF配制；

所述步骤2)中，所述介体为1,4-萘醌；所述1,4-萘醌溶液的浓度为50～200mM，采用乙腈配制；

所述步骤3)中，所述葡萄糖脱氢酶溶液的浓度为10～40mg/mL，采用磷酸盐缓冲溶液配制。

10.根据权利要求1或2所述的酶生物燃料电池、权利要求3或4所述的装置、权利要求5或6所述的植物激活酶生物燃料堆栈、权利要求7或8所述的生物阳极、权利要求9所述的制备方法，其特征在于：

所述三维氮掺杂碳是按照下述方法制备得到的：

将细菌纤维素薄膜用去离子水彻底清洗，通过冷冻干燥处理，变成碳气凝胶；再将所述碳气凝胶在流动的N₂气氛下进行热解，形成黑色产物并研磨成粉末，即得三维氮掺杂碳；

优选的，所述冷冻干燥的条件为-48℃冷冻干燥48h；

所述热解的条件为：热解至800℃、1小时，然后再热解至1400℃、2小时，加热的速率为5℃/min。