一种微流道式酶催化燃料电池，由微电极、电极导引线(4)、焊盘(1)及微结构组件组成。微电极包括阳极(2)和阴极(3)。微电极、电极导引线(4)和焊盘(1)加工在玻璃基片(5)上。微结构组件包括反应区、反应物贮存池(8)、废液池(9)和微流道(10)。反应区包括阴极反应区(6)和阳极反应区(7)；微结构组件加工在聚二甲基硅氧烷薄片(11)上。所述的阳极(2)和阴极(3)呈一定距离对称置于玻璃基片(5)的中央，通过电极导引线(4)与焊盘(1)相连。焊盘(1)布置在靠近玻璃基片(5)的边缘。阳极(2)和阴极(3)上分别载有阳极反应酶和阴极反应酶。玻璃基片(5)和聚二甲基硅氧烷基片(11)键合封装为一体。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种微流道式酶催化燃料电池，由微电极、电极导引线(4)、焊盘(1)及微结构组件组成。微电极包括阳极(2)和阴极(3)。微电极、电极导引线(4)和焊盘(1)加工在玻璃基片(5)上。微结构组件包括反应区、反应物贮存池(8)、废液池(9)和微流道(10)。反应区包括阴极反应区(6)和阳极反应区(7)；微结构组件加工在聚二甲基硅氧烷薄片(11)上。所述的阳极(2)和阴极(3)呈一定距离对称置于玻璃基片(5)的中央，通过电极导引线(4)与焊盘(1)相连。焊盘(1)布置在靠近玻璃基片(5)的边缘。阳极(2)和阴极(3)上分别载有阳极反应酶和阴极反应酶。玻璃基片(5)和聚二甲基硅氧烷基片(11)键合封装为一体。【专利说明】
本专利技术涉及一种酶催化燃料电池及其电极制备方法。
技术介绍
人类进入21世纪，由于科技进步带来的生产方式和生活方式的巨大变革，导致了能源需求的复杂性和多样性。这种复杂性和多样性除了体现在能源紧缺和对能源的巨大需求上，还体现在一些重要的应用场合，如个人数字化周边电子产品、可植入式医疗设备、军事、航天等领域，其对能源的要求是方便获得和使用、体积小、成本低、绿色无污染等，开发研究这些领域适用的能源技术涉及了新材料、新能源、先进制造技术、新型计算技术等现代科技的方方面面，能够体现出一个国家经济发展和人们生活水平、社会文明的发达程度，具有重大的战略意义和经济社会意义，受到了世界各国政府、研究机构、投资机构的广泛重视，并为此投入巨大，我国在最新的十二五规划当中对此类技术也给与了明确的指向。燃料电池是将燃料的化学能直接转换成电能的装置。酶催化燃料电池是以酶为催化剂，通过生物电化学途径将化学能转变为电能的体系或装置，具有输出电流和功率高，能量转换效率高、催化剂选择性高、反应途径可控、工作条件温和、燃料来源广泛、生物兼容性好、使用成本低等优点，是一种真正意义上的绿色电池。2002年，Choban等人首先发表了基于微流道结构的微型燃料电池技术的文献。微流道中流体流动具有层流(laminar flow)特性,可延迟或阻止燃料和氧化物的对流混合，因此不需使用质子交换摸结构，其关键组件(微电极、微流道、反应池等)都可以集成到单一的芯片上，这些特征从结构上对减小能源体积具有天然优势，有利于降低制作成本，是微型能源的一种优秀适宜的技术解决方案。由于对绿色能源的日益关注，采用酶为催化剂的微流道式微型燃料电池成为近年来的研究热点。Moore等人在微流道式酶催化燃料电池领域作了开创性的工作，他们开发了一种微芯片式的酶催化微型燃料电池，该电池以乙醇为燃料，阳极为双层结构，第一层为聚亚甲基蓝，用来催化NADH氧化，第二层为用Naf1n膜固定的乙酸脱氢酶,该电池的开路电压为0.34V,最大电流为(53±9.1) μ A/cm2。他们的后续工作主要围绕Naf1n膜酶固定技术展开，目前他们研发的酶催化微型燃料电池在能量密度和稳定性上都处于业界的领先位置。日本东北大学西泽松彦教授2005年报道了以维他命K3作为电子介体的葡萄糖燃料电池。在此基础上，2007年，他们研究开发了用维他命K3做介体的微流道式酶催化燃料电池，当燃料流速为1.0mL/min时，开路电压达到0.55V，在电压为0.29V时，达到最大功率密度32 μ W/cm2，在10k Ω负载下连续工作18小时，电流密度下降了 50% 。在之后的研究中，他们对这种燃料电池进行了改进，用胆红素氧化酶修饰的电极代替Pt作为阴极，并研究了电极轮廓以及微流道深度对电池对电池的影响。Kjeang等人首次利用2D计算流体力学模型对微流道式酶催化燃料电池进行了研究，给出了微流道和电极结构的优化建议，并研究了微流道式酶催化燃料电池上多酶体系连续反应的策略。目前，国内未见微流道式酶催化燃料电池研究的报道。微流道式酶催化燃料电池涉及的微细加工技术方面的内容主要集中在微结构(微流道、反应池、贮液池等)及微电极的设计和加工方面。目前报道的微流道式微型燃料电池中加工微结构的材料大部分是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，采用的加工方法主要为软印法(soft lithography)。得益于近二十年来科研人员对微流控芯片等技术的全面深入的研究，微流道等微结构设计及加工技术已经非常成熟。微流道式酶催化燃料电池中的微电极主要使用石墨材料制作，常用的方法是将石墨材料加工成棒状或片状结构的微电极，然后将其埋置在微流道的侧面或底部，微电极表面裸露的部分与酶和反应物进行接触反应。分析目前微流道式酶催化燃料电池的报道文献可以看出，该技术还处于概念验证阶段，离实用化还有一段距离，各国研究人员不断提出新思想和设计理念、同时将材料学、生物学、加工技术、计算技术等领域的先进成果引入进来。当前该技术研究中普遍存在的问题有以下几个:首先是微电极的制作加工问题，目前微流道式酶催化燃料电池中使用的石墨微电极一般为事先做好再埋置进去的，再通过悬引线与外部连接，这种做法适用于验证科研人员的思想，但由于难以同用电的设备或器件集成，不利于应用。另外这些微电极结构简单，催化反应面积小，造成了使用这样微电极的微流道式酶催化燃料电池的能量密度相对较低，如美国专利US20070287034 ;第二是酶保护固定问题，目前的普遍做法是使用Naf1n膜将酶固定在微电极表面，提高酶的机械和化学稳定性，但这种方法的缺点是Naf1n膜呈酸性，降低了酶的使用时间及活力。再一个问题就是目前关于微流道式酶催化燃料电池组技术研究的报道相对较少，燃料电池组技术将多个燃料电池串联，提高系统的输出电压，可有效解决单个微流道式酶催化燃料电池能量输出较小的问题。
技术实现思路
本专利技术针对当前微流道式酶催化燃料电池技术存在的微电极的制作加工和酶保护固定存在的缺点，提出一种酶催化燃料电池及其石墨电极制备方法。本专利技术微流道式酶催化燃料电池由微电极、电极导引线、焊盘及微结构组件组成。所述的微电极包括阳极和阴极；所述的微结构组件包括微流道、反应区、反应物贮存池和废液池。本专利技术采用芯片式的封装以及CMOS兼容工艺，可以将微流道式酶催化燃料电池直接集成到小型电子设备的电路系统中为其供能。所述的微电极、电极导引线和焊盘加工在玻璃基片上。微电极为螺线圈式结构，由石墨材料制成，螺线圈式的微电极接触反应面积大。电极导引线、焊盘采用铜材料加工而成。微电极的阳极和阴极呈一定距离对称置于玻璃基片中央，阳极螺线的延展方向为逆时针，阴极螺线的延展方向为顺时针。阳极和阴极的螺线宽度、匝数及螺线间距离相同。阳极和阴极的外侧螺线通过电极导引线分别与各自对应的焊盘相连，焊盘布置在靠近玻璃基片的边缘。在电池工作时，所述的阳极和阴极上分别绑定有阳极反应酶和阴极反应酶。所述的微结构组件用于燃料及生成物传输处理，加工于聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料上。所述的微结构包括微流道、反应区、反应物贮存池和废液池等。所述的反应区包括阳极反应区和阴极反应区，阳极反应区和阴极反应区的空间位置对应于阳极和阴极，阳极反应区和阴极反应区的空间尺寸大小应使键合后该反应区能够包绕电极。微电极的阳极置于阳极反应区中，微电极的阴极置于阴极反应区中。所述的反应物贮存池和废液池分别加工在反应区的两侧，反应物贮存池用来贮存燃料等反应物，废液池用来本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微流道式酶催化燃料电池，其特征是所述的燃料电池由微电极、电极导引线(4)、焊盘(1)及微结构组件组成；所述的微电极包括阳极(2)和阴极(3)；所述的微电极、电极导引线(4)和焊盘(1)加工在玻璃基片(5)上；所述的微结构组件包括反应区、反应物贮存(8)、废液池(9)和微流道(10)；所述的反应区包括阴极反应区(6)和阳极反应区(7)；所述的微结构组件加工在聚二甲基硅氧烷薄片(11)上；所述的阳极(2)和阴极(3)呈一定距离对称置于玻璃基片(5)的中央，通过电极导引线(4)与焊盘(1)相连；所述的焊盘(1)布置在靠近玻璃基片(5)的边缘；所述的玻璃基片(5)和聚二甲基硅氧烷基片(11)通过可逆键合技术封装为一体。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王明，谭焱，于阳，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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