一种自支撑电极基底材料及基于其的双室酶生物燃料电池制造技术

本发明专利技术涉及一种自支撑电极基底材料及基于其的双室酶生物燃料电池。采用的技术方案是：将强酸处理后的碳纸分别在碳酸钾溶液、硝酸钾的磷酸盐缓冲溶液中进行两步电化学剥离。然后将所得材料进行电化学沉积金纳米粒子，将其作为集流体固载酶，制备了基于碳纸为载体的葡萄糖氧化酶修饰电极。以HEG/Au

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑电极基底材料及基于其的双室酶生物燃料电池


[0001]本专利技术属于生物燃料电池电极材料领域，具体地说涉及一种自支撑电极基底材料及基于其的双室酶生物燃料电池。

技术介绍

[0002]生物燃料电池是一种广受关注的清洁、高效的绿色能源。酶生物燃料电池(EBFCs)作为生物燃料电池的一个子类，利用酶通过阳极上发生的电化学氧化，从碳水化合物、尿素和有机酸等可再生燃料中发电。与其他传统能源系统相比，它们成本较低，在温和的条件下利用可再生能源发电且对燃料具有选择性。这些优点使它们成为可植入医疗设备(如起搏器和微型药物泵)的合适选择，甚至可用于废水处理、药物输送、生物传感器等设备。
[0003]葡萄糖氧化酶(GOx)由于其对葡萄糖的利用率和高选择性，是酶生物燃料电池中最受青睐的酶。目前在制备高性能的酶生物燃料电池时最具挑战性的部分是酶在电极表面的高效固定化。GOx固定化在电极表面的局限性主要是存在酶的浸出、酶寿命较短、酶活性位点与电极之间的电子转移较差等问题，这是其能量密度和功率密度较低的原因。石墨烯基纳米材料具有较大的比表面积、高孔隙率、优异的导电性、易于合成和功能化等独特特性，为生物分子提供了理想的固定化场所，能够固载大量酶，孔结构包裹酶的同时降低了酶的浸出，延长了酶的使用寿命，使其能够广泛应用于生物传感和能源相关应用。

技术实现思路

[0004]针对生物燃料电池电极材料发展的需求，本专利技术提供一种制备工艺简单，价格低廉的自支撑基底电极的制备方法及应用，功能化剥离石墨烯的大比表面积及良好的导电性与负载的金纳米粒子相结合，应用于酶生物燃料电池中表现出较好的循环性能以及较大的功率密度。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种自支撑电极基底材料，制备方法包括如下步骤：
[0006]1)将预处理后的碳纸用强酸处理；
[0007]2)以强酸处理后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于碳酸钾水溶液中，进行第一步电化学剥离；
[0008]3)以第一步电化学剥离后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于硝酸钾的磷酸盐缓冲液中，进行第二步电化学剥离；
[0009]4)以第二步电化学剥离后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于含金溶液中，进行电沉积，在碳纸表面沉积一层金纳米粒子，所得材料经去离子水洗涤，干燥，得三维结构的自支撑电极基底材料。
[0010]进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤1)中，所述碳纸为亲水性碳纸。
[0011]进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤1)具体为：按体积比，浓硝酸:浓硫酸＝3:1，将浓硝酸和浓硫酸混合均匀，得强酸混合溶液，将强酸混合溶液滴涂在预处理
后的碳纸上，室温静置5分钟后，用去离子水冲洗至中性。
[0012]进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤2)中，所述碳酸钾水溶液的浓度为0.5mol/L；第一步电化学剥离过程中，扫描电位为0.5
‑
1.8V，扫描圈数为6，扫描速率为20mVs
‑
1。
[0013]进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤3)中，所述硝酸钾的磷酸盐缓冲液中，所述磷酸盐缓冲液的pH＝7，硝酸钾的浓度为1mol/L；第二步电化学剥离过程中，扫描电位为
‑
0.9
‑
1.9V，扫描圈数为6，扫描速率为20mV s
‑1。
[0014]进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤4)中，所述含金溶液为氯金酸和硫酸的混合溶液，电沉积电压为
‑
4V，电沉积300s。
[0015]一种基于自支撑电极基底材料的双室酶生物燃料电池，制备方法包括如下步骤：
[0016]1)生物阳极的制备：将上述的自支撑电极基底材料浸泡在葡萄糖氧化酶溶液中，于4℃中浸泡过夜，得生物阳极；
[0017]2)生物阴极的制备：于上述的自支撑电极基底材料表面滴涂漆酶分散液，室温干燥，得生物阴极；
[0018]3)双室酶生物燃料电池的制备：以生物阳极为阳极，以生物阴极为阴极，由Nafion 211膜隔开两个极室，阳极室内装入葡萄糖的pH＝5的PBS缓冲液，阴极室内装入氧气饱和的pH＝5的HAc
‑
NaAc缓冲液，组成双室酶生物燃料电池。
[0019]进一步的，上述的一种基于自支撑电极基底材料的双室酶生物燃料电池，步骤1)中，所述葡萄糖氧化酶溶液的浓度为5mg/mL。
[0020]进一步的，上述的一种基于自支撑电极基底材料的双室酶生物燃料电池，步骤2)中，所述漆酶分散液的浓度为5mg/mL。
[0021]进一步的，上述的一种基于自支撑电极基底材料的双室酶生物燃料电池，步骤3)中，葡萄糖的pH＝5的PBS缓冲液的浓度为60
‑
100mM。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023]1、本专利技术制备的自支撑电极基底材料，具有被剥离分层的三维结构，因此，具有较大的比表面积，形貌较为均匀，有利于电解液浸润且导电性强。
[0024]2、本专利技术制备的自支撑电极基底材料，采用碳纸作为材料，成本低，环境友好，适合大规模生产。
[0025]3、本专利技术制备的自支撑电极基底材料应用于酶生物燃料电池时，可大量负载酶，且酶不易失活和浸出，在葡萄糖浓度为100mM时，功率密度为17.66μW cm
‑2。在循环稳定性测试中重复使用7天后性能几乎没有下降，具有成为优异的自支撑电极材料的潜力。
附图说明
[0026]图1是实施例1制备的自支撑电极基底材料的SEM图。
[0027]图2是实施例1制备的自支撑电极基底材料的XRD图。
[0028]图3是实施例1制备的自支撑电极基底材料上葡萄糖氧化酶(GOx)的直接电化学测试结果图。
[0029]图4是基于自支撑电极基底材料的双室酶生物燃料电池(EBFCs)的功率密度曲线图。
[0030]图5是基于自支撑电极基底材料的双室酶生物燃料电池7天功率的稳定性图。
具体实施方式
[0031]本专利技术提供了一种自支撑电极基底材料的制备方法和在酶生物燃料电池中的应用，下面结合实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。
[0032]实施例1自支撑电极基底材料
[0033](一)制备方法
[0034]1、碳纸预处理和强酸处理
[0035]预处理：取亲水性碳纸，裁剪成1.5
×
0.5cm的小块，将其依次浸泡在丙酮、乙醇和去离子水中，分别超声30分钟，然后用去离子水和乙醇反复清洗并烘干。
[0036]强酸处理：按体积比，浓硝酸:浓硫酸＝3:1，将浓硝酸和浓硫酸混合均匀，得强酸混合溶液。取20μL强酸混合溶液，滴涂在预处理后的碳纸上，室温静置5分钟后，用去离子水冲洗至中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自支撑电极基底材料，其特征在于，制备方法包括如下步骤：1)将预处理后的碳纸用强酸处理；2)以强酸处理后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于碳酸钾水溶液中，进行第一步电化学剥离；3)以第一步电化学剥离后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于硝酸钾的磷酸盐缓冲液中，进行第二步电化学剥离；4)以第二步电化学剥离后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于含金溶液中，进行电沉积，在碳纸表面沉积一层金纳米粒子，所得材料经去离子水洗涤，干燥，得三维结构的自支撑电极基底材料。2.根据权利要求1所述的一种自支撑电极基底材料，其特征在于，步骤1)中，所述碳纸为亲水性碳纸。3.根据权利要求1所述的一种自支撑电极基底材料，其特征在于，步骤1)具体为：按体积比，浓硝酸:浓硫酸＝3:1，将浓硝酸和浓硫酸混合均匀，得强酸混合溶液，将强酸混合溶液滴涂在预处理后的碳纸上，室温静置5分钟后，用去离子水冲洗至中性。4.根据权利要求1所述的一种自支撑电极基底材料，其特征在于，步骤2)中，所述碳酸钾水溶液的浓度为0.5mol/L；第一步电化学剥离过程中，扫描电位为0.5
‑
1.8V，扫描圈数为6，扫描速率为20mV s
‑1。5.根据权利要求1所述的一种自支撑电极基底材料，其特征在于，步骤3)中，所述硝酸钾的磷酸盐缓冲液中，所述磷酸盐缓冲液的pH＝7，硝酸钾的浓度为1mol/L；第二步电化学剥离过程中，扫描电位为
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴抒遥，姜美娇，赵楠，隋成荃，陈奇男，马多，宋溪明，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：