專利名稱：一種酶生物燃料電池及其制法的制作方法
技術領域：
本發明涉及酶生物燃料電池。
背景技術：
隨著傳統的非再生能源的枯竭，當今社會，研究者們都在竭力尋找一種有效的方法將化學能轉化為電能，從而緩解日益增長的能源消耗的壓力[參見M. J.Moehlenbrock， S. D. Minteer, Chem. Soc. Rev. 2008，37，1188-1196.]。從環境中獲取能量驅動電子設備，一直以來都是人類的夢想[參見:C. Pan, Y. Fang, H. Wu, Μ. Ahmad, Ζ. Luo, Q. Li, J. Xie, Χ. Yan, L. ffu, Z.L.Wang，J. Zhu, Adv. Mater. 2010，22，5388-5392.]。在 20 世紀八十年代以及九十年代初，令人神往的“生物燃料電池”開始進入研究階段，其目標是構建“綠色”、可持續 [參見(a)T.K. Tam, G. Strack, Μ. Pita, Ε. Katz, J.Am. Chem. Soc. 2009，131，11670—11671 ； (b)V. Coman, C. Vaz-Dominguez, R. Ludwig, W. Herreither, D. Haltrich, Α. L. De Lacey, Τ. Ruzgas, L. Gorton, S. Shleev, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008，10,6093-6096.]的電子器件[參見Α· Heller，Phys. Chem. Chem. Phys. 2004，6，209-216.]。酶生物燃料電池利用酶電催化，將化學能直接轉化為電能[參見J. W. Gall away, S. Α. C. Barton, J. Am. Chem. Soc. 2008，130,8527-8536.]。類似于傳統的燃料電池，生物燃料電池將催化劑分別應用于電池的兩極，在陽極催化氫失去電子，在陰極采用氧氣吸收電子并和氫離子結合生成水 [參見=R. F. Service, Science 2002，296，1223.]。相比于傳統的燃料電池，酶生物燃料電池存在諸多優勢。首先，由于大多數酶生物燃料電池利用純化的酶作為催化劑，因此一般在生理條件、室溫下運行[參見S. Fishilevich, L. Amir, Y. Fridman，A. Aharoni,L. Alfonta, J. Am. Chem. Soc. 2009，131，12052-12053.]。其次，酶生物燃料電池的反應原料為葡萄糖和氧氣，產物為葡萄糖酸，這些物質對環境都是無害的[參見A. Heller, Phys. Chem. Chem. Phys. 2004，6，209-216.]，因此這是綠色能源，能夠保護環境[參見:Y. Liu, Μ. K. Wang, F. Zhao, B. F. Liu, S. J. Dong, Chem. -Eur. J. 2005，11，4970-4974.]。第三，相比于貴金屬催化劑昂貴的價格和有限的儲量，酶催化劑來源廣泛，并且可以再生。第四，葡萄糖為動植物的產物，可以作為陽極燃料，而氧氣在陰極作為氧化劑。因此可以預見，酶生物燃料電池是新一代的能源器件[參見:H. Sakai，T. Nakagawa, Y. Tokita, T. Hatazawa, T. Ikeda, S. Tsujimura, K. Kano, Energy Environ. Sci. 2009, 2,133-138.]。生物燃料電池作為一類二級儲能電池，其必須具備以下性能(1)理想的功率輸出，[參見:S. C. Barton, J. Ga 11 away, P. Atanassov, Chem. Rev. 2004，104，4867-4886. ] ； (2) 電池壽命足夠長，從而可以便攜式使用[參見S. C. Barton，J. Gallaway, P. Atanassov, Chem. Rev. 2004，104，4867-4886. ] ； (3)在開路電位條件下具有低電能損失，電池在空載條件下能夠存放的時間久[參見S. K. Chaudhuri，D. R. Lovley, Nat. Biotechnol. 2003， 21,1229-1232.]。雖然酶生物燃料電池代表一種新的能源方式，但是其要真正走向實際應用還有許多問題需要解決，包括低的開路電位、功率輸出以及缺少長時間的穩定性[參 B (a)M. J. Moehlenbrock, S. D. Minteer, Chem. Soc. Rev. 2008, 37,1188-1196 ； (b) C. Liu,S. Alwarappan, Z. F. Chen, Χ. X. Kong, C. Ζ. Li, Biosens. Bioelectron. 2010, 25,1829-1833 ； (c) J. Kim, S. I. Kim, K. -H. Yoo, Biosens. Bioelectron. 2009，25，350-355.]。目前，酶生物燃料電池的最大開路電壓能達到0. 95V[參見A. kbda，C. Gondran, A. Le Goff, Μ. Holzinger, P. Cinquin, S. Cosnier, Nat. Commun. 2011，2，1-6.]，然而，相比較于葡萄糖和氧氣的理論氧化還原電位差(1. 2V)，[參見(a) V. Coman，C. Vaz-Dominguez，R. Ludwig, W. Herreither, D.Haltrich, A.L.De Lacey, T.Ruzgas, L. Gorton, S.Shleev, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008，10，6093-6096 ； (b)V. Soukharev, N. Mano, A. Heller, J. Am. Chem. Soc. 2004,126,8368-8369 ； (c) Y. Kamitaka, S. Tsujimura, N. Setoyama, T. Kajino, K. Kano, Phys. Chem. Chem. Phys. 2007，9，1793-1801.]該電能還沒有得到充分利用。
生物大分子與基底電極之間的電子傳輸是所有生物電子體系的本質[參見(a)
0.Yehezkeli,R. Tel-Vered, S. Reichlin, I. Willner, ACS Nano 2011，5，2385-2391 ； (b) Y. -Μ. Yan, 0. Yehezkeli, I. Willner, Chem.-Eur. J. 2007，13，10168-10175 ； (c)I. Willner, Science 2002，298，2407-2408.]。由于絕大多數氧化還原酶的活性中心都深埋在其蛋白質外殼內，因此酶和電極之間不能進行直接電子傳遞[參見(a)M. J. Moehlenbrock, S. D. Minteer, Chem. Soc. Rev. 2008，37，1188-1196 ； (b) Y. Liu, Μ. K. Wang, F. Zhao, B. F. Liu, S. J. Dong, Chem. -Eur. J. 2005，11，4970-4974 ； (c)C. Liu, S. Alwarappan, Z. F. Chen, Χ. X. Kong, C. Z. Li, Biosens. Bioelectron. 2010, 25, 1829-1833 ； (d) Y. Liu, S. Dong, Electrochem. Commun. 2007,9,1423-1427 ； (e) Y. Liu, S. Dong, Biosens. Bioelectron. 2007, 23,593-597.]。緩慢的電子傳遞是導致酶生物燃料電池的功率低的關鍵制約因素[參見:(a)M. J. Moehlenbrock, S. D. Minteer, Chem. Soc. Rev. 2008，37，1188-1196 ； (b)F. Gao, L. Viry, Μ. Maugey, P. Poulin, N. Mano, Nat. Commun. 2010，1，1-7.]。近些年，有關提高生物燃料電池功率輸出的研究層出不窮。現在，無媒介體的生物燃料電池能夠達到的最大功
1. 3mff cm-2 [ :A. Zebda, C. Gondran, A. Le Goff, M. Holzinger, P. Cinquin, S. Cosnier, Nat. Commun. 2011，2，1-6.]。采用各種電子媒介體[參見1. Willner， Science 2002,298,2407-2408.]改進酶與電極之間的電子傳遞，從而明顯提高功率密度的技術經常應用于制備生物燃料電池[參見(a)Y. Liu, Μ. K. Wang，F. Zhao, B. F. Liu, S. J. Dong, Chem. -Eur. J. 2005，11,4970-4974 ； (b)0. Yehezkeli, R. Tel-Vered, S. Reichlin,
1.ffillner,ACSNano 2011，5，2385-2391 ；(c)F. Gao, L. Viry,Μ. Maugey,P. Poulin, N. Mano, Nat. Commun. 2010,1,1-7 ； (d)X. Li, H. Zhou, P. Yu, L. Su, T. Ohsaka, L. Mao, Electrochem. Commun. 2008，10,851-854 ； (e)L. Brunei, J.Denele, K. Servat, K. B. Kokoh, C.Jolivalt, C.Innocent, M. Cretin, M. Rolland, S. Tingry, Electrochem. Commun. 2007,9,331-336·]。 采用電子媒介體制備的生物燃料電池的最大功率密度能達到1. 45士0. 24mff cm-2 [參見 H. Sakai, T. Nakagawa, Y. Tokita, T. Hatazawa, T. Ikeda, S. Tsujimura, K. Kano, Energy Environ. Sci. 2009，2，133-138·]。不過媒介體的引入同時也帶來了一些問題，主要是其本身通常是不穩定的，對于生物燃料電池的長時間運行不利[參見(a)M. J. Moehlenbrock, S. D. Minteer, Chem. Soc. Rev. 2008, 37,1188-1196 ； (b) S. K. Chaudhuri, D. R. Lovley, Nat. Biotechnol. 2003，21，1229-1232.]。因此，媒介體的合理選擇甚至不再使用媒介體將是 ^jp WfF^ [ :C. Liu, S. Alwarappan, Ζ. F. Chen, Χ. X. Kong, C. Ζ. Li, Biosens. Bioelectron. 2010，25，1829-1833.]。具有高的化學和電化學穩定性以及良好導電性的新型納米材料，可以構建酶和電極之間的電子通道，從而實現直接電子傳遞[參見(a) A. Zebda, C.Gondran, A.Le Goff, Μ. Holzinger, P. Cinquin, S. Cosnier, Nat.Commun. 2011, 2,1-6 ； (b) Y. Liu, S. Dong, Biosens. Bioelectron. 2007, 23, 593-597 ； (c) F. Gao, L. Viry, Μ. Maugey, P. Poulin, N. Mano, Nat. Commun. 2010，1，1-7.]。目前，以石墨烯-金納米粒子復合物作為電極材料的葡萄糖電化學生物傳感器已被研制成功[參見Y. Chen, Y. Li，D. Sun, D. Tian, J. Zhang, J.-J. Zhu，J. Mater. Chem. 2011，21，7604-7611.]。由于這種材料不僅能夠為葡萄糖氧化酶(GOD)提供很好的微環境，用于保持GOD的生物活性，而且它能夠直接實現GOD的催化活性中心和復合物電極之間的直接可逆的電子傳遞過程，無需任何支撐膜或媒介體參與。因此將這種材料應用于生物燃料電池中，由于其極好的電子傳遞能力，因而突破了生物燃料電池中電子傳遞的阻礙。就我們所知，該復合材料首次應用于構建生物燃料電池，實現了生物燃料電池的開路電壓等于葡萄糖/氧氣的氧化還原電對的理論電位電位差。該酶生物燃料電池的最高的功率密度可達到1. 96士0. 13mff cm_2。將兩節這樣的酶生物燃料電池串聯起來使用時，可以成功點亮紅色和黃色的發光二極管，瞬間功率輸出可以達到一節商用干電池的水平。該酶生物燃料電池存放70天后，其開路電壓仍可以保持最佳電壓值的80%。結果表明，只要稍作改進，采用葡萄糖和氧氣作為燃料，這種基于石墨烯-金納米粒子的酶生物燃料電池可望成為第一代可再生的能源器件。

發明內容
本發明的目的是基于一種酶生物燃料電池的設計，從而獲得大的功率輸出。本發明的技術方案如下—種酶生物燃料電池，它有陰、陽兩極，陰、陽兩極用隔膜分離，構建其陰、陽兩極的基底材料為石墨烯-納米金粒子復合物，在基底材料上分別負載漆酶和葡萄糖氧化酶， 底物分別是氧氣和葡萄糖，由負載的漆酶和葡萄糖氧化酶分別催化陰陽兩極室的底物得失電子，電子從陽極經過外電路到達陰極構成回路。上述的酶生物燃料電池，所述的隔膜是萘酚質子交換膜(DuPont Nafion PFSANRE-211)。上述的酶生物燃料電池，所述的基底材料為石墨烯-納米金粒子復合物，制備方法已由本發明人課題組報道。[參見:Y. Chen, Y. Li，D. Sun, D. Tian, J. Zhang, J. -J. Zhu， J. Mater Chem. 2011，21，7604-7611.]。酶生物燃料電池陰陽兩極的制備方法如下生物陽極的制備見文獻報導[參見 Y. Chen, Y. Li，D. Sun，D. Tian, J. Zhang, J. -J. Zhu, J. Mater. Chem. 2011，21，7604-7611.]，生物陰極的制備方法如下首先將50 μ L(0. 75mg mL—1)石墨烯-納米金復合物溶液滴到金片電極上，然后金片電極在37°C下恒溫干燥，制備好石墨烯-納米金復合物電極后，將50 μ L 漆酶溶液(60mg πι Λ溶解在0. 05Μ pH 7. O的tris-HCl緩沖液中)滴到上述金片電極上， 在4°C條件下儲存，在組裝生物燃料電池之前，上述制備的陰陽兩極用超純水清洗，以去除未結合的酶，所有電極不使用時，均存放在4°C條件下保存。酶生物燃料電池的設計采用全氟磺酸/聚四氟乙烯的共聚物隔膜 (DuPont Nafion PFSANRE-211，厚度為25. 4 μ m)作為生物燃料電池陰陽兩極之間的隔膜。 陽極電解液采用氮氣飽和的醋酸緩沖液(0. 2M，pH 5. 0)，其中含有不同濃度的葡萄糖。陰極電解液則是含有0. 5mM ABTS的醋酸緩沖液(0. 2M，pH 5. 0)，其需要飽和氧氣。在測試功率輸出曲線時，當酶生物燃料電池獲得穩定的開路電壓后，各種負載值(100Ω IOOkQ)連接在電池的兩極，采用數字萬用表測量負載上的功率輸出。本發明的石墨烯-納米金復合物通過FESEM照片，觀察到尺寸大小均一的納米金粒子均勻的分散在石墨烯的表面。本發明的酶生物燃料電池在陽極室的葡萄糖濃度從IOmM增加到IOOmM時，分別測量了功率輸出與外阻之間的關系。其結果表明，當葡萄糖的濃度為50mM時，電池的輸出最大。本發明的酶生物燃料電池在陽極葡萄糖濃度為50mM時，電池的開路電壓為1. 2V, 極化曲線和功率密度曲線表明，電池的最大功率密度為1. 96士0. 13mWcm_2，電池的內阻僅為 200 Ω。本發明的酶生物燃料電池兩節串聯，可以成功點亮紅色以及黃色發光二極管。本發明的酶生物燃料電池具有很好的穩定性，電池組裝70天以后，其開路電位仍保持最佳值的80%。


圖1為本發明的基底材料石墨烯-納米金復合物的FESEM圖。圖2為本發明中的酶生物燃料電池在陽極室的葡萄糖濃度為10mM、25mM、50mM、 75mM和IOOmM時得到的功率輸出曲線。圖3為本發明中的酶生物燃料電池在陽極室的葡萄糖濃度為50mM時得到的開路電位曲線，極化曲線、功率密度曲線以及功率密度曲線和外阻的關系圖。圖4為本發明的酶生物燃料電池的開路電位與時間的關系圖。
具體實施例方式實施例1.酶生物燃料電池中陰陽兩極的構建實驗中所構建的酶生物燃料電池使用的基底電極為金片電極(lCmX0.5Cm)，由陽所提供(南京，中國)，在使用之前，金片基底先用脫脂棉對其進行拋光處理，然后分別用乙醇以及超純水進行超聲清洗，最后在氮氣流下吹干。生物陽極的制備與之前文獻中報導的類似[參見:Y. Chen, Y. Li，D. Sun, D. Tian, J. Zhang, J. -J. Zhu，J. Mater. Chem 2011，21，7604-7611.]。生物陰極制備的最佳實驗條件如下首先將50μ L(0. 75mg mL—1)的石墨烯-納米金復合物溶液滴到金片電極上，然后金片電極在37°C下恒溫干燥。制備好石墨烯-納米金復合物電極后，將50yL漆酶溶液(60mg mL—1，溶解在0. 05M pH 7. 0的tris_HCl緩沖液中)滴到上述金片電極上，在4°C條件下干燥。在組裝酶生物燃料電池之前，如上制備的陰陽兩極用超純水清洗，以去除未結合的酶， 所有電極不使用時，均存放在4°C條件下保存，其中葡萄糖氧化酶(EC 1. 1.3.4,294 units mg-1)購自 Sanland，漆酶(EC 1. 10. 3. 2，> 20units mg-1)購自 Sigma-Aldrich.(下同。)。實施例2.酶生物燃料電池的構建采用全氟磺酸/聚四氟乙烯的共聚物隔膜(DUP0ntTMNafi0n PFSA NRE-211，厚度為25.4μπι)作為生物燃料電池陰陽兩極之間的隔膜。陽極電解液采用氮氣飽和的醋酸緩沖液(0. 2M，pH 5. 0)，其中含有50mM的葡萄糖。陰極電解液則是含有0. 5mM ABTS的醋酸緩沖液(0.2M，pH 5.0)，其需要飽和氧氣。在測試功率輸出曲線時，當酶生物燃料電池獲得穩定的開路電位時，各種負載值(100Ω IOOkQ)連接在電池的兩極，采用數字萬用表測量負載上的功率輸出。酶生物燃料電池的開路電位，極化曲線，功率密度曲線以及功率密度曲線和外阻之間的關系見圖3，兩節酶生物燃料電池成功點亮紅色以及黃色發光二極管，酶生物燃料電池的開路電位與時間的關系圖見圖4。實施例3.酶生物燃料電池的構建按實施例2的步驟構建酶生物燃料電池，但葡萄糖的濃度為10mM，得到的開路電位，極化曲線和功率密度曲線要低于實施例2的結果，見圖2。實施例4.酶生物燃料電池的構建按實施例2的步驟構建酶生物燃料電池，但葡萄糖的濃度為25mM，得到的開路電位，極化曲線和功率密度曲線要低于實施例2的結果，見圖2。實施例5.酶生物燃料電池的構建按實施例2的步驟構建酶生物燃料電池，但葡萄糖的濃度為75mM，得到的開路電位，極化曲線和功率密度曲線要低于實施例2的結果，見圖2。實施例5.酶生物燃料電池的構建按實施例2的步驟構建酶生物燃料電池，但葡萄糖的濃度為IOOmM,得到的開路電位，極化曲線和功率密度曲線要低于實施例2的結果，見圖2。
權利要求
1.一種酶生物燃料電池，其特征是它有陰、陽兩極，陰、陽兩極用隔膜分離，構建其陰、陽兩極的基底材料為石墨烯-納米金粒子復合物，在基底材料上分別負載漆酶和葡萄糖氧化酶，底物分別是氧氣和葡萄糖，由負載的漆酶和葡萄糖氧化酶分別催化陰陽兩極室的底物得失電子，電子從陽極經過外電路到達陰極構成回路。
2.根據權利要求1所述的酶生物燃料電池，其特征是所述的隔膜是萘酚質子交換膜。
3.一種制備權利要求1所述的酶生物燃料電池的方法，其特征是生物陽極的制備見文獻 Y. Chen, Y. Li, D. Sun, D. Ti an, J. Zhang, J. -J. Zhu, J. Mater. Chem. 2011，21，7604-7611.中報導，生物陰極的制備方法如下首先將50 μ L濃度為0.75 mg mL—1石墨烯-納米金復合物溶液滴到金片電極上，然后金片電極在37 °C下恒溫干燥，制備好石墨烯-納米金復合物電極后，將50 μ L濃度為60 mg mL—1、溶劑為0. 05 M pH 7. 0的 tris-HCl緩沖液漆酶溶液滴到上述金片電極上，在4 °C條件下儲存，在組裝生物燃料電池之前，上述制備的陰、陽兩極用超純水清洗，以去除未結合的酶，所有電極不使用時，均存放在4 °C條件下保存；采用全氟磺酸/聚四氟乙烯的共聚物隔膜作為生物燃料電池陰陽兩極之間的隔膜，陽極電解液采用氮氣飽和的、濃度為0.2 mol/L，pH=5.0的醋酸緩沖液，其中含有不同濃度的葡萄糖，陰極電解液則是含有0. 5 mM ABTS的醋酸緩沖液，醋酸濃度0. 2mol/ L，pH= 5.0，其中飽和氧氣。
全文摘要
一種酶生物燃料電池，陰陽兩極用酚質子交換膜(DuPontTMPFSA NRE-211)分離，構建其陰陽兩極的基底材料為石墨烯-納米金復合物、在基底材料上分別負載漆酶和葡萄糖氧化酶、由負載的漆酶和葡萄糖氧化酶分別催化陰陽兩極室的氧氣和葡萄糖底物得失電子、電子從陽極經過外電路到達陰極構成回路。本發明的酶生物燃料電池在陽極室的葡萄糖濃度為50mM時，電池的開路電壓為1.2V，電池的最大功率密度為1.96±0.13mW cm-2，電池的內阻僅為200Ω。兩節酶生物燃料電池串聯，可以成功點亮紅色以及黃色發光二極管。酶生物燃料電池電池組裝70天以后，其開路電位仍保持最佳值的80％。本發明公開了其制法。
文檔編號H01M8/16GK102569861SQ20121000947
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者張劍榮, 陳云 申請人:南京大學