一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，属于电池材料合成领域。本发明专利技术首先以葡萄糖氧化酶为阳极氧化酶，以甘油和蔗糖为酶稳定保护剂，经超声分散成酶液，再与壳聚糖和明胶于弱酸性条件下混合，经氢氧化钠溶液调节pH沉淀后，用纱布过滤，在玻璃板表面涂覆成膜，经干燥脱水后，浸泡于缓冲溶液中使膜脱离，再将膜置于戊二醛溶液中发生交联反应，增加膜的刚性，避免壳聚糖在酸性条件下软化流失，最后经洗涤干燥得到酶生物燃料电池阳极薄膜材料。本发明专利技术所得薄膜材料负载于Au电极作为燃料电池阳极显示出优异的电催化活性，且稳定性好，重现性高，酶可在薄膜的多层结构中保持活性，且薄膜内有大量的电活性中心，十分利于电催化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，属于电池材料合成领域。
技术介绍
生物燃料电池（BFC）是一种利用生物催化剂将化学能直接转化为电能的装置。常用的生物催化剂有微生物、细胞器（如线粒体）和酶。其中酶生物燃料电池（EBFC）的能量输出相比另外两种BFC要高很多，成为BFC研究的热点。由于酶种类多、易提取且催化条件温和，于传统的燃料电池相比，EBFC具有燃料来源广泛，价格低廉和能够在温和环境中工作（温度为20～40℃，中性pH）等优点，尤其是葡萄糖/氧气BFC可以利用人体血液中的葡萄糖和氧气作为BFC的阳极和阴极底物输出电流，有望用于如心脏起搏器等低能耗小型设备的内置电源。然而，由于酶的有效固定量有限、酶与电极间电子传递不畅、酶容易失活且存在泄漏等问题，EBFC也存在功率密度低、寿命短等缺点。因此，加快酶与电极间的电子传递、固定更多的酶且同时保持酶活性成为当前EBFC研究的重点。早期燃料电池是将酶溶于溶液中，由于酶在溶液中只能保持数天，所以电池的寿命很短，而将酶固定在电极上，可以保持酶的活性，延长电池的使用周期。物理吸附是最简单的酶固定化方法，酶蛋白的活性中心不易被破坏，但相互作用较弱，需进一步提高载酶量及酶的稳定性。近年来，通过改进葡萄糖氧化酶电极的制备方法，如共价键连接和分子自组装、加入导电材料和氧化还原聚合物修饰电极等，更好的满足了酶生物燃料电池对电极的要求，但由于葡萄糖氧化酶的辅基FAD被蛋白质外壳包围，阻碍了电子在酶活性中心和电极导电材料之间的转移。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是：针对传统酶生物燃料电池阳极材料在使用过程中出现的，酶的有效固定量低，酶与电极电子传递不顺畅，导致生物燃料电池功率密度低，寿命短的问题，提供了一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，本专利技术首先以葡萄糖氧化酶为阳极氧化酶，以甘油和蔗糖为酶稳定保护剂，经超声分散成酶液，再与壳聚糖和明胶于弱酸性条件下混合，经氢氧化钠溶液调节pH沉淀后，用纱布过滤，在玻璃板表面涂覆成膜，经干燥脱水后，浸泡于缓冲溶液中使膜脱离，再将膜置于戊二醛溶液中发生交联反应，增加膜的刚性，避免壳聚糖在酸性条件下软化流失，最后经洗涤干燥得到酶生物燃料电池阳极薄膜材料。本专利技术所得薄膜材料负载于Au电极作为燃料电池阳极显示出优异的电催化活性，且稳定性好，重现性高，酶可在薄膜的多层结构中保持活性，且薄膜内有大量的电活性中心，十分利于电催化。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：（1）依次称取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45～50℃，功率为160～180W条件下，超声分散8～10min，随后将烧杯迅速转入2～4℃冰水浴中处理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；（2）依次称取0.8～1.2g壳聚糖，3～5g明胶，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL质量浓度为2～4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400～600r/min转速搅拌混合20～30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6～8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6～8.8，继续搅拌混合10～15min；（3）待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为35～40℃条件下干燥2～4h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；（4）收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤3～5次，随后将膜转入盛有200～300mL质量浓度为0.02～0.04%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为40～45℃，恒温反应45～60min；（5）待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜3～5次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于45～50℃条件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。本专利技术的应用方法：将Au电极用氧化铝和鹿皮打磨、抛光，再用质量浓度为20～25%硝酸浸泡2～4h，随后用丙酮洗涤3～5次，再用去离子水洗涤2～4次，经干燥后将Au电极浸没于浓度为10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化30～40min，再将本专利技术所得电池阳极薄膜材料负载于Au电极表面，即得酶生物燃料电池阳极，将其取代常规燃料电池阳极，应用于燃料电池中，经检测，葡萄糖氧化酶在阳极材料多层结构中保持较高的活性，灵敏度可达6.2～6.5μA/(mmol·cm2)，稳定性好，重现型高，所制备的燃料电池使用寿命较常规燃料电池提高80～100天，可作为微型电源广泛应用于医学领域植入人体内部。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术所得产品原料来源广泛，廉价易得，应用于燃料电池中反应条件温和，生物相容性好，是一种可再生的绿色能源，符合可持续发展战略要求；（2）本专利技术所得薄膜材料具有三维空间结构，薄膜内有大量的电活性中心，十分有利于电催化，同时制备方法简单，电极使用寿命长，可以广泛使用。具体实施方式依次称取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45～50℃，功率为160～180W条件下，超声分散8～10min，随后将烧杯迅速转入2～4℃冰水浴中处理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；依次称取0.8～1.2g壳聚糖，3～5g明胶，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL质量浓度为2～4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400～600r/min转速搅拌混合20～30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6～8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6～8.8，继续搅拌混合10～15min；待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为35～40℃条件下干燥2～4h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤3～5次，随后将膜转入盛有200～300mL质量浓度为0.02～0.04%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为40～45℃，恒温反应45～60min；待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜3～5次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于45～50℃条件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。实例1依次称取16g葡萄糖氧化酶，15g甘油，3g蔗糖，加入盛有800mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45℃，功率为160W条件下，超声分散8min，随后将烧杯迅速转入2℃冰水浴中处理3h，得葡萄糖氧化酶液；依次称取0.8g壳聚糖，3g明胶，16mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100mL质量浓度为2%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400r/min转速搅拌混合20min，在搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）依次称取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45～50℃，功率为160～180W条件下，超声分散8～10min，随后将烧杯迅速转入2～4℃冰水浴中处理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；（2）依次称取0.8～1.2g壳聚糖，3～5g明胶，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL质量浓度为2～4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400～600r/min转速搅拌混合20～30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6～8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6～8.8，继续搅拌混合10～15min；（3）待搅拌混合结束，用双层纱布过滤，除去滤液，将滤饼均匀涂覆于玻璃板表面，再将玻璃板转入真空干燥箱中，于温度为35～40℃条件下干燥2～4h，随后将玻璃板取出，浸没于pH为6.8磷酸二氢钠‑磷酸氢二钠缓冲溶液中，直至玻璃板表面膜完全脱离；（4）收集上述缓冲溶液中脱离的膜，用去离子水洗涤3～5次，随后将膜转入盛有200～300mL质量浓度为0.02～0.04%戊二醛溶液的烧杯中，再将烧杯转入水浴锅中，于温度为40～45℃，恒温反应45～60min；（5）待反应结束，自然冷却至室温，过滤，除去滤液，得改性薄膜，用无水乙醇洗涤改性薄膜3～5次，再用去离子水洗涤直至洗涤液呈中性，随后将改性薄膜转入真空干燥箱中，于45～50℃条件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料电池阳极薄膜材料。...

【技术特征摘要】
1.一种酶生物燃料电池阳极薄膜材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：（1）依次称取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去离子水的烧杯中，随后将烧杯置于超声振荡仪中，于温度为45～50℃，功率为160～180W条件下，超声分散8～10min，随后将烧杯迅速转入2～4℃冰水浴中处理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；（2）依次称取0.8～1.2g壳聚糖，3～5g明胶，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL质量浓度为2～4%醋酸溶液的烧杯中，再将烧杯转入磁力搅拌器上，以400～600r/min转速搅拌混合20～30min，在搅拌状态下，滴加质量浓度为6～8%氢氧化钠溶液，调节pH至8.6～8.8，继续搅拌混合10～...

【专利技术属性】
技术研发人员：张静，许博伟，
申请(专利权)人：张静，
类型：发明
国别省市：江苏;32