生物光伏电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及生物光伏电池领域，公开了一种生物光伏电池及其制备方法。本发明专利技术提供的生物光伏电池含有由式(1)所示结构单元形成的聚合物和类囊体，其中，所述聚合物的数均分子量为8×10

Bio photovoltaic cell and its preparation

【技术实现步骤摘要】
生物光伏电池及其制备方法
本专利技术涉及生物光伏电池领域，具体涉及一种生物光伏电池及其制备方法。
技术介绍
随着化石燃料的消耗和能源需求的不断扩大，开发和利用新型可再生能源已成为研究热点。生物光伏电池作为一种新兴技术，它可以利用类囊体、叶绿体、蓝藻细菌或者藻类等光合生物将太阳能转换为电能。生物光伏电池通常由光阳极和生物阴极组成。在光阳极，光合生物发生光反应产生分解水产生电子。在电位差的驱动下，电子从光阳极流向生物阴极发生还原反应，形成电子回路产生电流。目前研究工作中主要是将光合生物简单地吸附到电极表面或者利用共轭寡聚物、氧化还原聚合物、碳纳米管等将光合生物连接到电极，光电转换效率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的光电转换效率较低的问题，提供一种生物光伏电池及其制备方法。该生物光伏电池的通过配合使用含有聚合物和类囊体的阳极以及含有胆红素氧化酶的阴极，能够大大提高生物光伏电池的能量密度和光电响应性能，提高光电转换效率。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种生物光伏电池，所述生物光伏电池的阳极含有由(1)所示结构单元形成的聚合物和类囊体，其中，所述聚合物的数均分子量为8×103-2×104，分布指数为1至2，所述生物光伏电池的阴极含有胆红素氧化酶。本专利技术第二方面提供一种制备本专利技术所述的生物光伏电池的方法，该方法包括：A、阳极的制备：在阳极用基底材料上涂覆由(1)所示结构单元形成的聚合物和类囊体；B、阴极的制备：在阴极用基底材料上涂覆胆红素氧化酶；C、生物光伏电池的构筑：向电解池中加入缓冲溶液，将所述阳极和阴极分别插入电极孔。通过上述技术方案，本专利技术提供的生物光伏电池通过配合使用含有由(1)所示结构单元形成的聚合物和类囊体的阳极，以及含有胆红素氧化酶的阴极，能够大大提高生物光伏电池的能量密度和光电响应性能，提高光电转换效率。附图说明图1是本专利技术实施例1和对比例1-2中的阳极的线性扫描曲线；图2是本专利技术实施例1和对比例1-2中的阴极的循环伏安曲线；图3是本专利技术实施例1和对比例1-2中生物光伏电池的极化曲线；图4是本专利技术实施例1和对比例1-2中生物光伏电池的能量密度曲线；图5是本专利技术实施例1和对比例1-2中生物光伏电池的光电响应曲线；图6是本专利技术测试例中PFP的循环伏安曲线；图7是本专利技术测试例中二茂铁的循环伏安曲线。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术第一方面公开了一种生物光伏电池，其特征在于，所述生物光伏电池的阳极含有由(1)所示结构单元形成的聚合物和类囊体，其中，所述聚合物的数均分子量为8×103-2×104，分布指数为1至2，所述生物光伏电池的阴极含有胆红素氧化酶。在本专利技术中，由(1)所示结构单元形成的聚合物为聚苯撑(9,9-二(6’-N,N,N-三甲基氨基)己基)芴，以下简称为PFP。在本专利技术中，所述由式(1)所示结构单元形成的聚合物的数均分子量以能够对类囊体工作电极进行修饰为目的。在本专利技术优选的情况下，所述由式(1)所示结构单元形成的聚合物的数均分子量为1×104-1.8×104，分布指数为1至1.25。本专利技术的专利技术人在研究中发现，PFP的氧化还原能级与类囊体中光合电子传递链相关蛋白的氧化还原电位以及胆红素氧化酶的氧化还原电位相匹配，能够将类囊体光反应产生的电子按照能量由高到低的顺序传递到生物阴极的胆红素氧化酶上，形成电子回路。在生物光伏电池中配合使用含有PFP和类囊体的阳极，以及含有胆红素氧化酶的阴极，能够提高生物光伏电池的光电响应性能，提高光电转换效率。根据本专利技术一种具体的实施方式，所述阳极包括基底材料、以及依次覆盖于基底材料上的聚合物层和类囊体层。在本专利技术的生物光伏电池的阳极中，对PFP和类囊体的用量并没有特别的限定，能够制备工作电极即可。为进一步提高生物光伏电池的电流密度，优选地，相对于0.25cm2的基底材料，PFP的摩尔量为5×10-4-2×10-3μmol，类囊体的质量为1-2μg。所述基底材料可以为本领域在阳极中常用的基底材料，优选地，所述基底材料为碳材料，例如碳纸、碳布、碳刷、碳毡、碳纳米管等。更优选地，所述基底材料为碳纸。根据本专利技术的生物光伏电池，其阴极包括基底材料以及覆盖于基底材料上的胆红素氧化酶层。对胆红素氧化酶的用量并没有特别的限定，相对于0.25cm2的基底材料，胆红素氧化酶的用量可以为0.01-0.1mg。根据本专利技术的一种优选实施方式，阴极还包括设置于基底材料与胆红素氧化酶层之间的羧基官能团化的多壁碳纳米管层。羧基官能团化的多壁碳纳米管是指多壁碳纳米管通过浓硝酸或浓硫酸处理后表面带有羧基官能团，可以参照CN103145115A表面羧基官能化的碳纳米材料及其制备方法和应用中公开的方法制得，也可以商购获得。相对于0.25cm2的基底材料，羧基官能团化的多壁碳纳米管的用量可以为0.01-0.1mg。本专利技术第二方面提供一种制备本专利技术所述的生物光伏电池的方法，该方法包括：A、阳极的制备：在阳极用基底材料上涂覆PFP和类囊体；B、阴极的制备：在阴极用基底材料上涂覆胆红素氧化酶；C、生物光伏电池的构筑：向电解池中加入缓冲溶液，将所述阳极和阴极分别插入电极孔。优选地，阳极的制备方法包括：1)在基底材料上涂覆PFP的水溶液，晾干，在基底材料上得到聚合物层；2)在所述聚合物层上涂覆类囊体悬浮液，在暗处晾干，在所述聚合物层上得到类囊体层；3)涂覆全氟磺酸聚合物溶液(Nafion溶液)，在暗处晾干，得到阳极。在本专利技术中，PFP和类囊体悬浮液的制备可以采用本领域常规的方法。Nafion溶液可以商购获得。例如，制备类囊体悬浮液的方法可以为本领域常规的方法，在本专利技术具体的实施方式中，包括但不限于以下步骤：(1)将含有叶绿体的绿色植物(如菠菜)在叶绿体分离缓冲液中进行研磨，过滤研磨液，收集滤液并将滤液离心分离，得到第一沉淀；(2)将第一沉淀在低渗缓冲液中进行分散，然后进行离心分离，得到第二沉淀；(3)将第二沉淀在均化缓冲液中多次进行清洗，得到第三沉淀，将第三沉淀放入存储缓冲液中，得到类囊体悬浮液。在本专利技术中，对PFP的水溶液、类囊体悬浮液、Nafion溶液的浓度并没有特别的限定，只要能够进行所述涂覆即可。为了达到更好的涂覆效果，优选地，所述PFP的水溶液的浓度为30-80μmol/L。优选地，所述类囊体悬浮液的浓度为50-100μg/L。优选地，所述Nafion聚合物溶液的浓度为0.1-1重量％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物光伏电池，其特征在于，所述生物光伏电池的阳极含有由式(1)所示结构单元形成的聚合物和类囊体，其中，所述聚合物的数均分子量为8×10

【技术特征摘要】
1.一种生物光伏电池，其特征在于，所述生物光伏电池的阳极含有由式(1)所示结构单元形成的聚合物和类囊体，其中，所述聚合物的数均分子量为8×103-2×104，分布指数为1至2，



所述生物光伏电池的阴极含有胆红素氧化酶。


2.根据权利要求1所述的生物光伏电池，其中，所述阳极包括基底材料、以及依次覆盖于基底材料上的聚合物层和类囊体层。


3.根据权利要求2所述的生物光伏电池，相对于0.25cm2的基底材料，所述由式(1)所示结构形成的聚合物的摩尔量为5×10-4-2×10-3μmol，类囊体的质量为1-2μg；
优选地，所述基底材料为碳材料。


4.一种制备权利要求1-3中任意一项所述的生物光伏电池的方法，该方法包括：
A、阳极的制备：在阳极用基底材料上涂覆由式(1)所示结构形成的聚合物和类囊体；
B、阴极的制备：在阴极用基底材料上涂覆胆红素氧化酶；
C、生物光伏电池的构筑：向电解池中加入缓冲溶液，将所述阳极和阴极分别插入电极孔。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，阳极的制备方法包括：
1)在基底材料上涂覆由式(1)所示结构单元形成的聚合物的水溶液，晾干，在基底材料上得到聚合物层；
2)在所述聚合物层上涂覆类囊体悬浮液，在暗处晾干，在所述聚合物层上得到类囊体层；
3)涂覆全氟磺酸聚合物溶液，在暗处晾干，得到阳极；
和/或，阴极的制备方法包括：

【专利技术属性】
技术研发人员：王树，周鑫，吕凤婷，刘礼兵，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11