一種基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極及制備與應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電化學生物燃料電池領域，具體涉及一種基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極及制備與應用。
【背景技術】
[0002]酶燃料電池是一種直接使用酶的生物燃料電池。酶燃料電池需要在幾個月甚至更長的時間內連續(xù)穩(wěn)定工作，這不僅要求電極修飾材料具有一定的生物相容性，而且要求酶必須適應人體生理環(huán)境或其它使用環(huán)境，以保持長期工作下酶的催化活性。這對于氧化還原酶來說還比較困難，因此目前的酶燃料電池連續(xù)工作時間較短，一般在幾天至一個月左右。電池壽命主要與酶的特性有關，溫度、pH值、溶液中離子的組成與濃度等環(huán)境因素也會有很大影響。
[0003]由于酶電極催化反應的性質不同，不同酶修飾的電極可以分別用于酶燃料電池的陽極或陰極。酶燃料電池的陽極主要有含有輔基FAD的氧化酶(如GOx電極)、具有輔基NAD(P)+的脫氫酶(如乳酸脫氫酶，LDH)電極。研究較多的陰極有微過氧化物酶電極、Lac電極、BOD電極、HRP電極。根據電極上固定酶數(shù)量的不同，可以分為單酶電極和多酶電極。隨著在固定化酶電極研究中許多固定化方法和材料的改進以及對酶工程研究的深入，可用于酶生物燃料電池的酶電極類型逐漸增多，電極性能逐步提高。多酶電極是用固定在同一電極上的多種酶催化連續(xù)或同時發(fā)生的多個反應。多酶電極擴大了酶燃料電池可使用燃料的范圍，提高了輸出電流或電壓，具有單酶電極難以達到的性能。
[0004]但現(xiàn)有技術的酶修飾電極普遍存在著制備方法復雜、成本較高或是適用底物范圍窄的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0005]為了解決以上現(xiàn)有技術的缺點和不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極的制備方法。
[0007]本發(fā)明的再一目的在于提供上述基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極在制備生物燃料電池或生物傳感器中的應用。
[0008]本發(fā)明目的通過以下技術方案實現(xiàn):
[0009]一種基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極，所述陽極是以基底電極為中心，由內到外依次為納米材料層、介體層和酶層。
[0010]優(yōu)選地，所述的基底電極是指玻碳電極(GCE)。
[0011]優(yōu)選地，所述的納米材料層的組成材料為石墨烯(GN)。
[0012]所述介體層的材料優(yōu)選為聚吡咯(PPy)。
[0013]優(yōu)選地，所述的酶層由殼聚糖、乙醇脫氫酶(ADH)和乙醛脫氫酶(AldDH)組成。
[0014]上述基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極的制備方法，包括以下制備步驟:
[0015](1)對基底電極進行表面預處理；
[0016](2)配制石墨烯溶液，將預處理后的基底電極置于石墨烯溶液中，用循環(huán)伏安掃描法進行電化學聚合，取出洗凈，干燥，得到GN修飾電極；
[0017](3)將步驟⑵的GN修飾電極置于含有吡咯、高氯酸鋰和碳酸氫鈉的水溶液中，用恒電位法進行電化學聚合，修飾一層聚吡咯；
[0018](4)將殼聚糖醋酸溶液、乙醇脫氫酶水溶液、乙醛脫氫酶水溶液按比例混合均勻得復合酶溶液，然后將復合酶溶液滴加到步驟(3)的電極表面，晾干后得到具有酶層的修飾電極；
[0019](5)將步驟(4)的修飾電極置于戊二醛溶液中浸泡交聯(lián)，取出后清洗，干燥，得到基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極。
[0020]優(yōu)選地，步驟(1)中所述的表面預處理過程如下:將基底電極的表面依次用直徑為0.3 μπι和0.05 μπι的Α1203粉末拋光成鏡面，再用水沖洗；然后依次在無水乙醇和水中超聲清洗lmin，取出用水洗凈，晾干，然后置于0.5mol/L的H2S04S液中進行電極活化。
[0021]優(yōu)選地，步驟(2)中所述的石墨稀溶液的濃度為2mg/mL。
[0022]優(yōu)選地，所述的用循環(huán)伏安掃描法進行電化學聚合的步驟如下:在0.2?0.9V的電位范圍內，以20mV/s的掃描速率聚合18圈。
[0023]優(yōu)選地，步驟(3)中所述的含有吡咯、高氯酸鋰和碳酸氫鈉的水溶液中，吡咯的濃度為0.1?0.2mol/L，高氯酸鋰的濃度為0.1?0.2mol/L，碳酸氫鈉的濃度為0.1?0.2mol/L0
[0024]優(yōu)選地，所述的用恒電位法進行電化學聚合的條件為:聚合電位為0.75v，聚合時間為180s，掃描速度為0.05v/so
[0025]優(yōu)選地，步驟(4)中所述的殼聚糖醋酸溶液的質量濃度為0.2%?2%，乙醇脫氫酶水溶液的濃度為10?20mg/mL，乙醛脫氫酶水溶液的濃度為10?20mg/mL ;所述的按比例混合是指將殼聚糖醋酸溶液、乙醇脫氫酶水溶液和乙醛脫氫酶水溶液按體積比為1:1:1進行混合。
[0026]優(yōu)選地，步驟(5)中所述戊二醛溶液的濃度為0.3% wt，所述浸泡交聯(lián)的時間為1 ?9h0
[0027]上述基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極在制備生物燃料電池或生物傳感器中的應用。
[0028]本發(fā)明的原理:本發(fā)明首先是通過循環(huán)伏安法將石墨烯聚合到電極上，再用恒電位聚合法將吡咯聚合到石墨烯上，制備出石墨烯/聚吡咯(GN-PPy)電極；然后利用殼聚糖的包埋作用，將乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶包埋起來，并利用石墨烯的載體特性，負載更多的酶，以利于對底物的催化；最后，取適量混合液滴于石墨烯/聚吡咯(GN-PPy)電極表面上并在戊二醛溶液中交聯(lián)，得到修飾后的工作電極即低成本高性能的基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極。本發(fā)明的制備原理圖如圖1所示。
[0029]本發(fā)明的制備方法及所得到的產物具有如下優(yōu)點及有益效果:
[0030](1)本發(fā)明采用石墨烯作為納米材料層，相比于其他碳材料，具有比表面積大、導電率高、容易制備、成本低的特點；另外石墨烯有很多邊緣結構，其表面殘留了很多缺陷位和官能團，使其具有一定的離子吸附能力和催化活性；
[0031](2)本發(fā)明采用聚吡咯作為轉移電子的酶介體，可改善酶與電極之間的電子傳遞，降低電極的工作電位，消除某些電活性物質的干擾；
[0032](3)本發(fā)明的制備方法將酶共價鍵合在PPy膜骨架上，可減少電極在使用過程中酶從膜中的流失，提尚其使用壽命；
[0033](4)本發(fā)明的制備方法成本較低、容易制備(反應在室溫中性環(huán)境)，所制備的酶電極催化性能好；
[0034](5)本發(fā)明的生物燃料電池陽極對底物的氧化在中性pH條件下進行，所用的底物為自然界中廣泛存在的物質，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極的制備原理圖；
[0036]圖2為本發(fā)明實施例1的基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極與未修飾的玻碳電極的循環(huán)伏安圖；
[0037]圖3為本發(fā)明實施例1的基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極在不同濃度甘油條件下的循環(huán)伏安圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0039]實施例1
[0040](1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3 μ m和0.05 μ m的A1203粉末拋光成鏡面，用蒸餾水沖洗，然后依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗lmin，再將玻碳電極置于0.5mol/L的H2S04溶液中進行電極活化，取出用蒸餾水沖洗，晾干得到預處理的玻碳電極；[0041 ] (2)稱取lOOmg的石墨稀放置在燒杯中，加入50mL蒸饋水，超聲24h得到2mg/mL的石墨烯溶液，將預處理后的玻碳電極置于石墨烯溶液中，用循環(huán)伏安掃描法進行電化學聚合，聚合電位為0.2?0.9v,以0.05v/s的速度掃描18圈，聚合一層石墨稀，取出沖洗干凈，自然晾干，得到GN修飾電極；
[0042](3)將步驟⑵的GN修飾電極置于0.1M吡咯、0.1M高氯酸鋰以及0.1M碳酸氫鈉的混合水溶液中，用恒電位法進行電化學聚合，聚合電位為0.75v，聚合時間為180s，掃描速度是0.05v/s，修飾一層聚吡咯，取出沖洗干凈，然后置于0.1M高氯酸中浸泡12h，再次沖洗干凈，自然晾干得到GN-PPy修飾電極；
[0043](4)稱取0.03g殼聚糖(T0060，DAC ^95%)加入到3mL濃度為0.lmol/L的醋酸溶液中，得質量分數(shù)為1%的殼聚糖醋酸溶液；稱取乙醇脫氫酶(Sigma)620U(310U/mg)，加入0.2mL蒸餾水，配制成10mg/mL的乙醇脫氫酶水溶液；稱取乙醛脫氫酶(Sigma) 1.8U(0.9U/mg)，加入0.2mL蒸餾水，配制成10mg/mL的乙醛脫氫酶水溶液；然后將殼聚糖醋酸溶液、乙醇脫氫酶水溶液和乙醛脫氫酶水溶液按體積比為1:1:1混合均勻得復合酶溶液，然后取復合酶溶液5 μ L滴加到步驟(3)的GN-PPy修飾電極表面，室溫晾干后得到具有酶層的修飾電極；
[0044](5)將步驟⑷的修飾電極置于0.3% wt的戊二醛水溶液中浸泡交聯(lián)lh，取出后用二次蒸餾水洗凈，干燥，得到基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極。
[0045]本實施例的基于石墨烯的生物燃料電池酶修飾陽極性能測試采用標準三電極體系:本實施例得到的生物燃料電池陽極(GCE，直徑為3_)為工作電極，鉑電極為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極，室溫下進行電化學試驗，并與未修飾的玻碳電極進行對比，結果如圖2所示，實線代表本實施例所制備的工作電極(有聚吡咯)在pH為7.0的磷酸緩沖溶液中，空氣飽和狀態(tài)下的循環(huán)伏安(CV)圖，虛線代表未修飾的玻碳電極(無聚吡咯)的循環(huán)伏安圖。從圖2可以看出，聚吡咯能快速地和玻碳電極交換電子