大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法。本发明专利技术利用水热合成法制备了三维的半导体纳米材料Bi

High power flexible single enzyme glucose fuel cell and its preparation

【技术实现步骤摘要】
大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法
本专利技术属于葡萄糖燃料电池
，涉及一种大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法。
技术介绍
生物燃料电池(BFCs)使用酶或微生物作为催化剂，能够氧化生物燃料，减少电极上氧化剂的用量获取能源。与传统燃料电池相比，BFCs具有操作上和功能上独特的优势。首先，与价格昂贵且储存能力有限的贵金属催化剂不同，生物燃料电池的催化剂绿色安全、来源广泛。同时，BFCs的阳极燃料来自动、植物的可再生生物燃料，而O2通常在阴极起氧化剂的作用，将底物直接转化为电能，保证了较高的能量转化效率。其次，BFCs能在常温、常压甚至是低温的环境条件下有效运作，电池维护成本低、安全性强。另一方面，生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体。因此，BFCs有望成为下一代绿色可持续能源设备之一。目前，BFCs处于试验阶段，由于BFCs低开路电压、不可靠的功率输出和长期不稳定性等因素限制了该控制系统的商业适用性，大规模的工业化应用尚未成熟。大部分燃料电池为双酶体系，单酶生物燃料电池的报道较少。Ji等人开发了一种双室单酶燃料电池，使用漆酶作为唯一的生物催化剂，应用于废水中有机污染物双酚A(BPA)的降解(Ji,C.,Hou,J.W.,Wang,K.,Ng,Y.H.&Chen,V.Single-EnzymeBiofuelCells.AngewChemIntEdit56,9762-9766,doi:10.1002/anie.201703980(2017).)。Li等人以污染物为燃料开发了高柔性导电细菌纤维素电极单酶生物燃料电池(Li,X.etal.Anovelsingle-enzymaticbiofuelcellbasedonhighlyflexibleconductivebacterialcelluloseelectrodeutilizingpollutantsasfuel.ChemEngJ379,doi:Unsp12231610.1016/J.Cej.2019.122316(2020).)。一般情况下，葡萄糖燃料电池为双酶体系，葡萄糖氧化酶(GOD)用于催化阳极氧化葡萄糖，漆酶用于阴极O2的还原。Li等人近期基于碳纳米管材料，以GOD/SWCNTs为阳极，Pt/SWCNTs为阴极，制备了单酶葡萄糖燃料电池(Li,Y.Y.,Xiong,W.,Zhang,C.&Yang,X.ResearchonFlexibleThin-DiskGlucoseBiofuelCellsBasedonSingle-WalledCarbonNanotubeElectrodes.JNanomater,doi:Artn160957910.1155/2019/1609579(2019).)。但是上述单酶燃料电池均需要质子交换隔膜的存在，同时存在灵敏度低、柔性差、操作繁琐、开路电压低、不稳定等缺点。
技术实现思路
为克服传统酶燃料电池阳极材料的酶固定量低，酶与电极之间电子传递弱导致电池功率密度低的问题，本专利技术提供一种大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法。本专利技术首先利用成本低、稳定性好的3D垂直交联Bi3Ti2O8F纳米材料，交联结构具有较大的比表面积，为葡萄糖氧化酶提供了更有效的催化位点，有利于酶与电极间的直接电子转移；其次以导电性较强的PTFE/rGO柔性电极为基底，Bi3Ti2O8F修饰制备Nafion/GOD/Bi3Ti2O8F/rGO生物阳极，PTFE/rGO电极为阴极，以葡萄糖为燃料，构成大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池。本专利技术的技术方案如下：大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池的制备方法，具体步骤如下：(1)三维垂直交联的Bi3Ti2O8F纳米材料的制备：将Bi(NO3)3·5H2O和NaF溶于水中，搅拌至完全溶解，然后加入钛酸四丁酯(TBT)溶液，充分搅拌后在160～200℃下水热合成，洗涤，干燥得到Bi3Ti2O8F粉末；(2)PTFE/rGO柔性电极的制备：按还原氧化石墨烯(rGO)粉末与聚四氟乙烯(PTFE)的质量比为1:3～1:4，将rGO粉末与PTFE溶液充分混合，形成碳糊状，然后将混合溶液转移到聚四氟乙烯膜上，反复压片直至石墨烯片表面光滑、厚度均匀并具有较好的柔性，烘干得到PTFE/rGO柔性电极；(3)Nafion/GOD/Bi3Ti2O8F/rGO柔性电极的制备：按GOD与Bi3Ti2O8F的质量比为2:1～4:1，将GOD溶液和Bi3Ti2O8F的壳聚糖溶液超声混合均匀，取混合液滴于PTFE/rGO柔性电极表面，并用0.5％的Nafion溶液对酶进行固定，置于4℃晾干，得到Nafion/GOD/Bi3Ti2O8F/rGO柔性电极；(4)葡萄糖燃料电池的制备：以Nafion/GOD/Bi3Ti2O8F/rGO柔性电极为生物阳极，PTFE/rGO柔性电极为阴极，葡萄糖为燃料，构成3DBi3Ti2O8F/rGO柔性葡萄糖燃料电池。优选地，步骤(1)中，所述的Bi(NO3)3·5H2O和NaF的质量比为1:2。优选地，步骤(1)中，所述的水热反应时间为8～12h。优选地，步骤(3)中，所述的超声混合时间为5～10min。优选地，步骤(4)中，所述的葡萄糖的浓度为50～75mM，pH为7.0。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)利用3D垂直交联的Bi3Ti2O8F纳米材料，具有较大的比表面积，给GOD提供了丰富的催化活性位点，提高了酶与电极之间的电子转移效率；同时Bi3Ti2O8F作为一种人工过氧化物酶，可以替代过氧化物酶生物分子的应用。(2)制备的PTFE/rGO柔性电极具有良好的导电性、较高的灵敏度、长期稳定性和可重用性。(3)本专利技术的柔性葡萄糖燃料电池是利用单酶体系制备，且无需隔膜，并具有较大的开路电压和功率密度，在75mM葡萄糖缓冲溶液(pH＝7.0)中测定电池的性能，最优条件下，输出电压为0.6V，输出功率密度达到650μW·cm-2。(4)本专利技术制作工艺简单，成本低，灵敏度高、无毒性、绿色可再生，有望在便携式医疗检测设备和绿色可再生能源领域得到应用。附图说明图1为实施例1制备的3DBi3Ti2O8F纳米材料的透射和扫描电镜图。图2为实施例1制备的PTFE/rGO柔性电极实图和Bi3Ti2O8F修饰到PTFE/rGO柔性电极的扫描电镜图。图3为不同质量比的PTFE与rGO制得的PTFE/rGO柔性电极的电化学响应图(A)，不同质量比的Bi3Ti2O8F与GOD制得的Nafion/GOD/Bi3Ti2O8F/rGO柔性电极的功率图(B)。图4为葡萄糖燃料电池在不同葡萄糖浓度下的功率对比图。图5为实施例1制备的葡萄糖燃料电池在最佳浓度的葡萄糖缓冲溶液中的开路电压-时间曲线(A)及输出功率曲线图(B)。具体实施方式下面结合实施例和附图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)三维垂直交联的Bi

【技术特征摘要】
1.大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)三维垂直交联的Bi3Ti2O8F纳米材料的制备：
将Bi(NO3)3·5H2O和NaF溶于水中，搅拌至完全溶解，然后加入钛酸四丁酯溶液，充分搅拌后在160～200℃下水热合成，洗涤，干燥得到Bi3Ti2O8F粉末；
(2)PTFE/rGO柔性电极的制备：
按还原氧化石墨烯粉末与聚四氟乙烯的质量比为1:3～1:4，将rGO粉末与PTFE溶液充分混合，形成碳糊状，然后将混合溶液转移到聚四氟乙烯膜上，反复压片直至石墨烯片表面光滑、厚度均匀并具有较好的柔性，烘干得到PTFE/rGO柔性电极；
(3)Nafion/GOD/Bi3Ti2O8F/rGO柔性电极的制备：
按GOD与Bi3Ti2O8F的质量比为2:1～4:1，将GOD溶液和Bi3Ti2O8F的壳聚糖溶液超声混合均匀，取混合液滴于PTFE/rGO柔性电极表面，并用0.5％的Nafion溶液对酶进行固定，置于4℃晾干，得到Na...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡效亚，俞清华，徐琴，黄利辉，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32