[发明专利]一种基于葡糖淀粉酶与纳米金共修饰的碳纳米材料杂化阳极的淀粉生物燃料电池

说明书

技术领域

本发明属于生物燃料电池领域，涉及一种淀粉生物燃料电池，具体涉及一种基于葡糖淀粉酶与纳米金共修饰的碳纳米材料杂化阳极的淀粉生物燃料电池。

背景技术

随着当今世界发展所面临的化石能源枯竭的能源危机与环境问题的日益显著，围绕可持续发展的绿色能源的开发利用的研究成为了国内外研究者们关注的焦点。生物燃料电池是一种特殊的燃料电池，它以自然界的微生物或酶为催化剂，直接将燃料中的化学能转化为电能。它不仅具有传统燃料电池效率高、无污染等优点，并且还具有如下特点：一，燃料来源广泛，自然界大量存在的葡萄糖、木糖以及淀粉等可再生有机物都可作为燃料，二，反应条件温和，可在常温，常压，中性pH值条件下反应，三，生物相容性好，可为植入人体的人造器官或生物传感器提供能源。因此生物燃料电池作为一项重要绿色能源技术，随着其相关研究的不断深入和发展，在缓解能源危机与环境问题方面上显示出了光明的前景。

根据所使用催化剂的不同，生物燃料电池可以分为直接使用酶的酶基生物燃料电池和间接利用生物体内酶的微生物燃料电池。微生物燃料电池中使用的催化剂实际上是微生物细胞中的酶，由于酶在细胞内，所以整个系统的稳定性比较高，电池寿命较长，大约可以达到5年，但是一般微生物燃料电池的电子在传递的过程中会因细胞阻碍的影响导致能量转换效率较低。而酶基生物燃料电池因为消除了细胞内外等因素的传质阻碍，所以大大提高了电子的转移速率和电池的能量转化率。但由于酶在生物体外活性比较难保持，稳定性比较低，电池的寿命比较短，并且通常酶的作用底物单一，导致只能使部分氧化生物燃料。

在酶基生物燃料电池的应用当中，尽管酶在温和条件下展示出了高效的催化活性，但是其底物的单一性，氧化底物的不完全性，以及较差的长期稳定性等性质都成为了制约酶基生物燃料电池在应用领域进一步发展的关键性因素。为了提高能量密度，以及拓展可使用生物燃料的范围，多酶体系的策略被研究者们所广泛报道，然而由于多酶体系中更加复杂的电子传递机制，不同酶之间的活性相互影响制约，导致该体系在研究与实际应用当中都还存在巨大挑战。

生物燃料是通过生物体捕获太阳能并以生物质为载体存储的能源，其中，葡萄糖燃料由于其在体内植入式利用血糖的燃料电池的光明应用前景而受到了最广泛关注与研究。然而，在植入式能源装置之外的燃料应用领域中，相比与葡萄糖这类单糖，多糖与寡糖往往具有更高的能量与功率密度要求，以及更低燃料的成本与普遍性。其中，淀粉作为自然界中最常见的碳水化合物之一，广泛存在于植物当中，制造淀粉是所有绿色植物贮存能量的一种方式。淀粉是由多个葡萄糖分子通过葡萄糖苷键相连构成，相比于其他糖类，具有高能量密度与低成本的特点。

此外，近些年来，由于葡萄糖检测在食品，医学领域的重要性，为了获得更加稳定可靠的葡萄糖传感器，葡萄糖的无酶电化学催化氧化研究也受到了广泛的关注。在多种成功实现葡萄糖无酶电催化的纳米材料当中，金纳米结构由于其在中性，碱性条件下高效的催化葡萄糖氧化的能力及其较好的生物相容性，成为最有前景的候选材料之一。金纳米颗粒(AuNPs)由于其独特的尺寸相应，极高的比表面积带来的高效催化能力，以及较低的投放比而被广泛研究报道

虽然现有生物燃料电池取得了较大发展，但开发具有更高能量需求、更低生产成本、良好的操作与储存稳定性的生物燃料电池，仍是本领域技术人员面临的技术难题。

发明内容

在现有技术内容的基础上，发明人通过研究，结合淀粉作为燃料的能量密度和成本优势，通过将葡糖淀粉酶(Glucoamylase，GA)对淀粉的高效水解与电化学沉积的金纳米颗粒(AuNPs)对葡萄糖的高效电化学催化氧化相结合，成功制备了基于GA与AuNPs共修饰的碳纳米材料杂化阳极的淀粉生物燃料电池。

具体的，本发明涉及以下技术方案：

首先，本发明的目的在于提供一种淀粉生物燃料电池的阳极，由基底电极、包覆于所述基底电极上的碳纳米材料层、电化学沉积在碳纳米材料层上的金纳米颗粒以及通过异型双功能交联剂固定在碳纳米材料层的葡糖淀粉酶组成，其中金纳米颗粒通过电化学沉积法分布在碳纳米材料层表面，异型双功能交联剂为N-羟基琥珀酰亚胺酯1-芘丁酸(PASE)，交联剂通过一端的芘丁基团与碳纳米材料层表面固定，另一端通过酰胺基与葡糖淀粉酶表面氨基相互作用进行交联，从而将葡糖淀粉酶选择性的固定到碳纳米材料层表面。

优选的，碳纳米材料为碳纳米纤维(CNFs)、碳纳米管及其他碳纳米材料中的一种或几种，更优选的，碳纳米材料为碳纳米纤维；

优选的，基底电极为玻碳电极；