一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种高效植物发电阴极及其制备方法与应用。所述阴极，包括碳布，以及在所述碳布上依次叠加的三维氮掺杂碳层、胆红素氧化酶层。该阴极可用于制备利用活体植物发电的酶生物燃料电池。本发明专利技术还可将上述燃料电池串联和/或并联连接形成植物激活酶生物燃料堆栈。发电时，将每个酶生物燃料电池装置分别插入单个植物或由植物切割成的独立的分裂部分。本发明专利技术可以实现电池的合理配置，从而最大限度地发挥每种配置的效果，并按需为不同的设备供电。电。

【技术实现步骤摘要】
mM(具体如100mM)，采用乙腈配制；
[0026]上述方法步骤3)中，所述GDH溶液的浓度为10～40mg/mL(具体如30mg/mL)，采用磷酸盐缓冲溶液配制(如0.1M pH 7.0PBS)。
[0027]上述步骤1)和步骤2)中的所述干燥步骤均在红外光照射下进行。
[0028]上述方法还包括：在葡萄糖脱氢酶层上涂Nafion溶液。
[0029]本专利技术的再一个目的是提供一种用于酶促生物燃料电池的生物阴极。
[0030]本专利技术所提供的生物阴极，包括碳布，以及在所述碳布上依次叠加的三维氮掺杂碳(3D
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NCAIN)层、胆红素氧化酶层。
[0031]进一步的，所述胆红素氧化酶层上还设有Nafion膜。
[0032]在每平方厘米所述的碳布上，所述三维氮掺杂碳的含量为0.2～1.0mg；所述胆红素氧化酶的含量为44.4～177.6U。
[0033]本专利技术还提供了上述生物阴极的制备方法。
[0034]本专利技术所提供的生物阴极的制备方法，包括下述步骤：
[0035]a)将三维氮掺杂碳(3D
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NCAIN)的悬浮液滴涂在所述碳布的亲水一侧，干燥除溶剂；
[0036]b)将胆红素氧化酶(BOD)溶液施加到步骤1)处理后的碳布表面，去除溶剂即得。
[0037]上述方法步骤a)中，所述三维氮掺杂碳(3D
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NCAIN)的悬浮液的浓度为2～10 mg/mL(具体如10mg/mL)，采用DMF配制。
[0038]上述步骤a)中，所述干燥步骤在红外光照射下进行。
[0039]上述方法步骤b)中，所述胆红素氧化酶(BOD)溶液的浓度为10～40mg/mL (具体如30mg/mL)，采用磷酸盐缓冲溶液配制(如0.1M pH 7.0PBS)。
[0040]上述方法还包括：在胆红素氧化酶层上涂Nafion溶液。
[0041]本专利技术中所述碳布是指由碳超细纤维编织而成的碳布(CC)，被用作集电体，用于制备生物电极，具有稳健的机械性能、良好的导电性和价格低廉的特点。所述碳布具体可为货号W1S1009的碳布。
[0042]本专利技术中所述三维氮掺杂碳(3D
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NCAIN)是按照下述方法制备得到的：
[0043]将细菌纤维素(BC)薄膜用去离子水彻底清洗，通过冷冻干燥处理，变成碳气凝胶；再将所述碳气凝胶在流动的N2气氛下进行热解，形成黑色产物并研磨成粉末，即得三维氮掺杂碳(3D
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NCAIN)。
[0044]上述方法中，所述冷冻干燥的条件可为
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48℃冷冻干燥48h。
[0045]上述方法中，所述热解的条件可为：热解至800℃、1小时，然后再继续热解至 1400℃、2小时，加热的速率可为5℃/min。
[0046]本专利技术还保护一种利用活体植物发电的酶生物燃料电池。
[0047]本专利技术所提供的利用活体植物发电的酶生物燃料电池，包括上述的生物阳极、上述的生物阴极以及电解质琼脂糖水凝胶。
[0048]其中，所述琼脂糖水凝胶由1％琼脂糖溶液制备，所述1％琼脂糖溶液用0.1M pH 7.0PBS配制。
[0049]所述利用活体植物发电的酶生物燃料电池还包括活体植物，如水果(梨，苹果)、仙人掌和芦荟等。
[0050]本专利技术还提供了一种用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置。
[0051]所述装置包括eppendorf尖底塑料管、所述生物阳极、所述生物阴极；
[0052]所述eppendorf尖底塑料管的尖端底部切割成尖锐的形状，并在尖端的侧壁上钻出一个孔；所述eppendorf尖底塑料管的尖端填充有琼脂糖水凝胶；所述生物阳极穿过所述孔，并插入孔附近的琼脂糖水凝胶中；所述生物阴极的改性表面置于琼脂糖水凝胶上，另一侧与空气直接接触。
[0053]利用活体植物发电时，并将所述塑料管的尖端插入活体植物中，插入的深度可为 1cm。
[0054]当塑料尖端插入植物中时，来自活植物中生物流体的葡萄糖燃料在3D
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NCAIN基的生物阳极处被氧化，而来自周围环境的氧气在3D
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NCAIN基的生物阴极处被还原。
[0055]本专利技术还提供了一种植物激活的酶生物燃料电池(EBFC)堆栈。
[0056]本专利技术所提供的植物激活酶生物燃料电池(EBFC)堆栈，包括若干个上述的用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置；每个所述用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置分别插入单个植物或由植物切割成的独立的分裂部分，所述用于活体植物发电的酶生物燃料电池装置之间通过串联、并联以及串/并联连接。
[0057]本专利技术提出一种新颖有效的策略，可以实现电池的合理配置，从而最大限度地发挥每种配置的效果，并按需为不同的设备供电。当EBFC串联连接时，可以获得高OCV。因此，串联配置具有为需要高驱动电压的间歇操作设备供电的巨大潜力，例如一次性测试设备、计算器和血糖仪。当EBFC并联时，可以获得大电流和优异的连续放电时间，但是输出电压不是特别有利。因此，并联连接可以潜在地用于为需要高电流但低工作电压的连续工作设备供电，例如手表。通过结合串联和并联连接的优点，提出了一种新颖的串/并联连接配置，以同时提高输出电流、连续放电时间和电压。这种配置有望为具有高电压和高功率电子设备(例如无线传感器系统)的连续操作设备供电。
附图说明
[0058]图1为(a)活体植物的优势示意图；(b)基于3D
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NCAIN的EBFC原理图及工作机制；(c)利用活植物生化能的EBFC结构示意图；(d)按需电源的自然灵感设计原理图。
[0059]图2为(a)3D
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NCAIN的SEM图像；(b)3D
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NCAIN的N2吸附
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脱附等温线；(c) 3D
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NCAIN的XPS谱；(d)3D
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NCAIN的拉曼光谱；(e)在0.1M pH 7.0的PBS中，在0
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100mM范围内无葡萄糖和有葡萄糖的情况下，3D
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NCAIN基生物阳极的CVs； (f)在3D
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NCAIN基生物阳极中添加其他物种到含葡萄糖溶液的伏安响应；(g) 3D
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NCAIN基生物阴极(浸入和扩散型)O2还原的CVs。并在N2饱和溶液中进行了控制实验。(h)CC基生物阳极对70mM葡萄糖的CV。(i)在N2和空气气氛下CC基生物阴极还原O2的CV。图(e)和(g
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i)中的扫描速率：5mV/s。(j)基于3D
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NCAIN 和CC的EBFC的极化曲线和功率输出曲线。
[0060]图3为通过DFT方法获得了3D
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NCAIN吸附支的孔径分布图。
[0061]图4为3D
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NCAIN的HRTE本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于酶促生物燃料电池的生物阴极，包括碳布，以及在所述碳布上依次叠加的三维氮掺杂碳层、胆红素氧化酶层。2.根据权利要求1所述的生物阴极，其特征在于：所述胆红素氧化酶层上还设有Nafion膜。3.根据权要求1或2所述的生物阴极，其特征在于：在每平方厘米所述的碳布上，所述三维氮掺杂碳的含量为0.2～1.0mg；所述胆红素氧化酶的含量为44.4～177.6U。4.根据权要求1
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3中任一项所述的生物阴极，其特征在于：所述三维氮掺杂碳是按照下述方法制备得到的：将细菌纤维素薄膜用去离子水彻底清洗，通过冷冻干燥处理，变成碳气凝胶；再将所述碳气凝胶在流动的N2气氛下进行热解，形成黑色产物并研磨成粉末，即得三维氮掺杂碳。5.根据权利要求4所述的生物阴极，其特征在于：所述冷冻干燥的条件为
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48℃冷冻干燥48h。所述热解的条件为：热解至800℃、1小时，然后再热解至1400...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡宗倩，许崔星，
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：