一种酶生物燃料电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种酶生物燃料电池，包括具有亲水区域的疏水性基底；印刷于所述亲水区域内且固定有阴极酶的阴极；印刷于所述亲水区域内且固定有阳极酶的阳极；填充于所述亲水区域内的流体燃料。本发明专利技术提供了一种酶生物燃料电池的制备方法，为：提供具有亲水区域的疏水性基底；在所述亲水区域内分别印刷电极，得到第一电极和第二电极；将阴极酶固定于所述电极上，得到阴极；将阳极酶固定于所述第二电极上，得到阳极；向所述亲水区域内填充流体燃料，得到酶生物燃料电池。本发明专利技术酶生物燃料电池结构完整，在疏水性基底的亲水区域内印刷有电极，填充有流体燃料，具有平面结构，结构简单，便于携带，尤其适用于小规模或短期供能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及生物燃料电池领域，特别涉及酶生物燃料电池及其制备方法。
技术介绍
生物燃料电池是以有机物为燃料，利用酶或微生物作为催化剂，直接将有机物中的化学能转化为电能的一类特殊的燃料电池。生物燃料电池具有能量转化率高、生物相容性好、原料来源广泛等优点，是一种真正意义上的绿色电池，在医疗、航空、环境治理等领域均有重要的使用价值。酶生物燃料电池是采用氧化还原酶作为催化剂催化燃料氧化的生物燃料电池，其在阳极产生氢离子及自由电子，阴极利用氢离子和自由电子将过氧化物或氧还原为水，从而完成电子的流动，将化学能转化为电能。酶生物燃料电池中，包括电极和填充有有机物燃料的电解池，酶可以溶解在含有燃料和氧化剂的溶液中，也可以固定在电极上。近年来，随着修饰酶电极技术的发展，大多数酶型生物燃料电池均采用阴、阳极均为固定酶电极的结构。但是现有的酶生物燃料电池均为电解池结构，不利于携带。纸芯片是一种新型生化实验的平台，2007年Harvard University的 G. Whitesides小组就在图案化的纸上同时检测了尿液中的葡萄糖和蛋白质，该纸芯片制作简单，成本低，方便实用，试剂用量少，不需要其他额外的辅助设备。以纸为基底的微流控装置是一项从低技术材料中发展高技术功能的微流控体系，因此具有广阔的应用前景，如可用于微分析装置，包括医疗诊断，药物研发，环境质量检测等。Stanford University的 Y. Cui小组在2009年首次将超级电容器整合到导电纸上，其各项指标均优于采用一般基底构建的超级电容器，可发展为一种低成本高效能的超级电容器或者锂离子电池。本专利技术人考虑，可以将纸芯片与酶生物燃料电池结合起来，构建一种便携式的酶生物燃料电池。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种酶型生物燃料电池及其制备方法，所述酶型生物燃料电池结构简单，便于携带。本专利技术提供了一种酶生物燃料电池，包括具有亲水区域的疏水性基底；印刷于所述亲水区域内且固定有阴极酶的阴极；印刷于所述亲水区域内且固定有阳极酶的阳极；填充于所述亲水区域内的流体燃料。优选的，所述疏水性基底为经过疏水处理的纸、纤维素膜或纺织布。优选的，所述阴极为纳米材料修饰的碳电极，所述阳极为纳米材料修饰的碳电极。优选的，所述纳米材料为离子液体修饰的碳纳米管。优选的，所述流体燃料为含有葡萄糖的溶液。本专利技术还提供了一种酶生物燃料电池的制备方法，包括以下步骤；a)提供具有未水区域的疏水性基底；b)在所述亲水区域内分别印刷电极，得到第一电极和第二电极；c)将阴极酶固定于所述第一电极上，得到阴极；将阳极酶固定于所述第二电极上，得到阳极；d)向所述亲水区域内填充流体燃料，得到酶生物燃料电池。优选的，所述步骤a)具体为用负性光刻胶浸润亲水性基底，得到带有负性光刻胶的基底；将掩膜覆盖于所述带有负性光刻胶的基底上；对所述覆盖了掩膜的带有负性光刻胶的基底进行曝光处理；去除掩膜，洗脱显影，得到具有亲水区域的疏水性基底。优选的，所述步骤b)具体为bl)在所述亲水区域内分别印刷电极，得到第一电极和第二电极；b2)用纳米材料对所述第一电极进行修饰，用纳米材料对所述第二电极进行修饰。优选的所述印刷为丝网印刷或激光打印。优选的，所述步骤c)具体为将阴极酶溶于缓冲液中，将得到的阴极酶溶液涂覆于所述第一电极后进行干燥处理，得到阴极；将阳极酶溶于缓冲液中，将得到的阳极酶溶液涂覆于所述第二电极后进行干燥处理，得到阳极。与现有技术相比，本专利技术在具有亲水区域的疏水性基底上印刷得到第一电极和第二电极，然后将阴极酶固定于第一电极形成阴极，将阳极酶固定于第二电极形成阳极，最后在亲水区域填充流体燃料得到酶生物燃料电池。本专利技术在疏水性基底的亲水区域内印刷有电极，填充有流体燃料，电极、流体燃料与基底基本处于同一平面上，具有平面结构，结构简单，便于携带，尤其适用于小规模或短期供能。本专利技术将流体燃料填充于疏水性基底的亲水区域内，流体燃料在亲水区域内形成小区域的电解池，不易于向亲水区域外的疏水性基底上扩散，从而保证了酶生物燃料电池结构完整，能够作为燃料电池使用。此外，本专利技术将阴极酶固定于第一电极得到阴极，阳极酶固定于第二电极得到阳极，有利于作为催化剂的酶提高催化效率，减少环境对酶催化效率的影响。附图说明图I为本专利技术酶生物燃料电池的结构示意图；图2为制作具有亲水区域的疏水性基底的流程示意图；图3为阴极和阳极印刷过程的流程不意图；图4为实施例I制备的酶生物燃料电池的输出功率密度与开路电压的关系图；图5为实施例2制备的酶生物燃料电池的输出功率密度与开路电压的关系图；图6为实施例3制备的酶生物燃料电池的输出功率密度与开路电压的关系图；图7为实施例4制备的酶生物燃料电池的输出功率密度与开路电压的关系图；图8为实施例5制备的酶生物燃料电池的输出功率密度与开路电压的关系图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种酶生物燃料电池，包括具有亲水区域的疏水性基底；印刷于所述亲水区域内且固定有阴极酶的阴极；印刷于所述亲水区域内且固定有阳极酶的阳极；填充于所述亲水区域内的流体燃料。本专利技术以疏水性基底的亲水区域为酶生物燃料电池的电解池，所述疏水性基底的亲水区域的作用在于容纳电极和流体燃料，其可以位于疏水性基底的任意区域，优选被疏水区域包围，使流体燃料填充于该亲水区域后不易于扩散至亲水区域外。所述具有亲水区域的疏水性基底具有轻薄，便于携带的特点，可以由疏水性基底经过亲水处理得到，也可以由亲水性基底经过疏水处理得到，优选由亲水性基底经过疏水处理得到，具体包括以下步骤用负性光刻胶浸润亲水性基底，得到带有负性光刻胶的基底；将掩膜覆盖于所述带有负性光刻胶的基底上；对所述覆盖了掩膜的带有负性光刻胶的基底进行曝光处理；去除掩膜，进行洗脱显影处理，得到具有亲水区域的疏水性基底。本专利技术首先用负性光刻胶浸润亲水性基底，本专利技术对浸润时间没有特殊限制，至亲水性基底全部覆盖有负性光刻胶即可。得到带有负性光刻胶的基底后，将掩膜覆盖于带有负性光刻胶的基底上进行曝光处理。所述掩膜具有不透明区域和透明区域，掩膜透明区域覆盖的基底区域为曝光区，掩膜不透明区域覆盖的基底区域为非曝光区。进行曝光处理时，曝光区的负性光刻胶发生固化反应，生成不溶性物质，因此曝光区具有疏水性。本专利技术对所述曝光处理没有特殊限制，可以根据本领域技术人员熟知的方法进行，优选紫外光曝光10 15min。曝光处理后，去除掩膜，进行洗脱显影处理。基底非曝光区的负性光刻胶由于未发生固化，从而溶于显影液被洗脱，因此所述非曝光区仍然具有亲水性。本专利技术对所述洗脱显影没有特殊限制，优选用甲醇作为洗脱显影液。在上述对亲水性基底的疏水处理过程中，所述亲水基底优选为纸、纤维素膜或纺织布。在本专利技术的酶生物燃料电池中，包括印刷于所述亲水区域内且固定有阴极酶的阴极。在所述阴极上，阴极酶利用阳极产生的自由电子和质子将氧化剂还原为水。本专利技术对阴极的电极材料没有特殊限制，优选为碳电极，更优选为纳米材料修饰的碳电极。本专利技术对所述纳米材料没有限制，可以为纳米金属氧化物、纳米金属离子、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：董绍俊，张玲玲，周明，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：