一种基于光/化学一体化能量转换的生物光电化学电池制造技术

本发明专利技术公开了一种基于光/化学一体化能量转换的生物光电化学电池。所述物光电化学电池为包括生物阳极、光阳极和生物阴极的单室电池，生物阴极布置于生物阳极和光阳极之间；生物阳极为GDH功能化生物阳极；光阳极为NiFeO

【技术实现步骤摘要】
一种基于光/化学一体化能量转换的生物光电化学电池


[0001]本专利技术涉及一种基于光/化学一体化能量转换的生物光电化学电池，属于多能转化


技术介绍

[0002]随着人们对不可再生化石燃料的日益枯竭和日益严重的环境问题的关注，以高效、环保的方式从可再生资源中获取能源已成为当前研究的一个重要热点。目前由煤、石油和天然气等不可再生资源产生的电力意味着未来的电力系统可能主要来自可持续和可再生资源，如太阳能和生物质能的化学能。太阳能被认为是我们可以在地球上收获的终极可再生资源，因此从太阳能获得电能为可再生能源的开发提供了一条可持续的途径。在各种太阳能转换技术中，光电化学电池是利用光电极吸收太阳光子、分离光生电荷载流子、将太阳能直接转化为电能和化学燃料的有效途径，进行光催化分解水、降解污染物或CO2还原。然而，由于天气条件和/或地球自转引起的阳光间歇性，实际生产中的连续能源需求受到限制，因此产生的电能需要在使用前储存在可充电电池或电容器中，这进一步增加了成本，系统的复杂性和能量损失。
[0003]酶促生物燃料电池(EBFC)是一种利用氧化还原酶的部分催化活性，通过生物电催化反应将生物质中的化学能直接转化为电能的能量转换装置，由于其运行条件温和、环境友好、催化效率高、对特定反应物有选择性等优点而受到越来越多的关注。然而，由于EBFC的能量转换途径是单向的(化学能到电能)，进一步提高其性能仍然是一个挑战。将太阳能采集器集成到EBFC中，构建太阳能和化学能向电能的双向转换路径，是EBFC实现更高能量转换效率和满足实际生产中全天候能源需求的一种可能的替代方案。
[0004]近年来，人们对太阳能/化学能转换的兴趣推动了新型电能收集系统的发展。生物光电化学电池(BPEC)由生物电催化和光电催化两部分组成，是一种同时将光能和化学能转化为电能的理想系统，它既具有EBFC的生物相容性，又具有光电化学电池(PECs)的鲁棒性。在光阳极的设计中，光系统II(PSII)通常被用作生物催化剂，在光照下催化H2O的氧化，从而释放4H
+
、4e
‑
和O2。当与阴极耦合催化还原H
+
或O2时，可以实现太阳能到氢气或太阳能到电的转换。例如，有报道一种由PSII修饰的光阳极和胆红素氧化酶(BOD)功能化生物阴极组成的集成BPEC。然而，PSII的低表面覆盖率、低电荷转移效率和大量的潜在损耗仍然限制了电池的性能。相比之下，具有低催化电位、高载流子迁移率和适当的光吸收带隙的无机半导体光阳极已经成为太阳能转换的研究热点。例如，用MoS3修饰的Si纳米线光电阴极和微生物催化的生物阳极制成了BPEC，可用于制氢和发电。Zhang等人报道了一种由Ni:FeOOH/BiVO4光阳极和漆酶功能化生物阴极组成的BPEC。所得BPEC的开路电位(OCP)为0.97V，光照下最大功率密度为205μW cm
‑2。最近，报道了由葡萄糖氧化酶修饰的BiFeO3光生物阴极和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)依赖的葡萄糖脱氢酶(GDH)功能化和量子点敏化的TiO2光生物阳极制备的串联BPEC，该系统在光照和葡萄糖存在下产生约1V的高OCP，同时实现光/化学能到电能的转化。然而，由于复杂的酶/半导体界面和有限的阴极反应，串联BPEC产生了23.9
±
3.5
μA cm
‑2的光电流和8.1
±
1.1μW cm
‑2的最大功率密度。尽管这些系统在产生光电流方面取得了进展，迄今为止，仍没有一种集成的BPEC能够在辐照或黑暗条件下产生令人满意的电能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种生物光电化学电池，将在光照条件下具有高光催化活性的NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极与能够在光照或黑暗条件下催化葡萄糖氧化的GDH功能化生物阳极结合，生物/光催化葡萄糖氧化产生电子，这些电子通过外部电路从阳极转移到BOD修饰的生物阴极，用于将O2还原为H2O，从而在辐照或黑暗条件下实现可持续的功率输出。
[0006]本专利技术生物光电化学电池中，GDH/1,4
‑
NQ/CNTs生物阳极和NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极的空间分离排列不仅避免了酶和半导体直接接触导致的失活，而且产生了有序和更有效的电子转移，从而增强PEC和EBFC之间的兼容性，并将运行期间的能量损失降至最低。
[0007]本专利技术所提供的生物光电化学电池，为包括生物阳极、光阳极和生物阴极的单室电池，所述生物阴极布置于所述生物阳极和所述光阳极之间；
[0008]采用的电解液可为0.1M磷酸盐缓冲液或0.5M硼酸盐缓冲液；
[0009]所述生物阳极为GDH功能化生物阳极；
[0010]所述光阳极为NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极；
[0011]所述生物阴极为BOD修饰生物阴极。
[0012]具体地，所述GDH功能化生物阳极按照下述方法制备：
[0013]1)将碳纳米管悬浮液浇铸于抛光的导电电极(如玻碳电极、碳布电极或碳纸电极等)表面，进行干燥；
[0014]2)将1,4
‑
萘醌溶液浇铸于经步骤1)修饰的所述导电电极表面，进行干燥；
[0015]3)将GDH溶液浇铸于经步骤2)修饰的所述导电电极表面，去除溶剂即得。
[0016]优选地，采用氧化铝浆料进行抛光；
[0017]步骤1)中，所述碳纳米管悬浮液的浓度为2～10mg mL
‑1，采用异丙醇与水的混合液配制；
[0018]步骤2)中，所述1,4
‑
萘醌溶液的浓度为50～200mM，采用乙腈配制；
[0019]步骤3)中，所述GDH溶液的浓度为10～40mg mL
‑1，采用磷酸盐缓冲溶液配制；
[0020]步骤1)和步骤2)中的所述干燥步骤均在红外光照射下进行。
[0021]具体地，所述NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极按照下述方法制备：
[0022]采用线性扫描伏安法，在AM 1.5G光照下，采用光电沉积法在Bi2O3‑
BiVO4光阳极上制备NiFeO
x
，即得到NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极。
[0023]具体地，将Fe(SO4)2·
7H2O或FeCl2·
4H2O和Ni(SO4)2·
6H2O或NiCl2·
6H2O溶解于硼酸盐缓冲液中，然后进行光电沉积。
[0024]优选地，所述硼酸盐缓冲液的摩尔浓度为0.1～0.5M，pH值为8.0～8.5；
[0025]所述Fe(SO4)2·
7H2O或所述FeCl2·
4H2O的浓度为0.05～0.2mg mL
‑1；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物光电化学电池，为包括生物阳极、光阳极和生物阴极的单室电池，所述生物阴极布置于所述生物阳极和所述光阳极之间；所述生物阳极为GDH功能化生物阳极；所述光阳极为NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极；所述生物阴极为BOD修饰生物阴极。2.根据权利要求1所述的生物光电化学电池，其特征在于：所述GDH功能化生物阳极按照下述方法制备：1)将碳纳米管悬浮液浇铸于抛光的导电电极表面，进行干燥；2)将1,4
‑
萘醌溶液浇铸于经步骤1)修饰的所述导电电极表面，进行干燥；3)将GDH溶液浇铸于经步骤2)修饰的所述导电电极表面，去除溶剂即得。3.根据权利要求2所述的生物光电化学电池，其特征在于：采用氧化铝浆料进行抛光；步骤1)中，所述碳纳米管悬浮液的浓度为2～10mg mL
‑1，采用异丙醇与水的混合液配制；步骤2)中，所述1,4
‑
萘醌溶液的浓度为50～200mM，采用乙腈配制；步骤3)中，所述GDH溶液的浓度为10～40mg mL
‑1，采用磷酸盐缓冲溶液配制；步骤1)和步骤2)中的所述干燥步骤均在红外光照射下进行。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的生物光电化学电池，其特征在于：所述NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极按照下述方法制备：采用线性扫描伏安法，在AM 1.5G光照下，采用光电沉积法在Bi2O3‑
BiVO4光阳极上制备NiFeO
x
，即得到NiFeO
x
/Bi2O3‑
BiVO4光阳极。5.根据权利要求4所述的生物光电化学电池，其特征在于：将Fe(SO4)2·
7H2O或FeCl2·
4H2O和Ni(SO4)2·
6H2O或NiCl2·
6H2O溶解于硼酸盐缓冲液中，然后进行光电沉积。6.根据权利要求5所述的生物光电化学电池，其特征在于：所述硼酸盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡宗倩，李刚勇，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院军事医学研究院，
类型：发明
国别省市：