[发明专利]大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法。本发明利用水热合成法制备了三维的半导体纳米材料Bi₃Ti₂O₈F，Bi₃Ti₂O₈F纳米片交联垂直生长，为葡萄糖氧化酶的固定和电子传递提供丰富的活性位点，明显提高电子转移速率。以简单压片法制备柔性PTFE/rGO片为生物阴极，利用葡萄糖氧化酶作为阳极催化剂，Nafion/GOD/Bi₃Ti₂O₈F/rGO为生物阳极，以葡萄糖作为生物燃料，制备大功率柔性单酶燃料电池。本发明的柔性葡萄糖燃料电池是利用单酶体系制备，且无需隔膜，并具有较大的开路电压和功率密度，在75mM葡萄糖缓冲溶液中测定电池的性能，最优条件下，输出电压为0.6V左右，输出功率密度达到650μW·cm^‑2，适用于便携式医疗检测设备和绿色可再生能源领域。

技术领域

本发明属于葡萄糖燃料电池技术领域，涉及一种大功率柔性单酶葡萄糖燃料电池及其制备方法。

背景技术

生物燃料电池(BFCs)使用酶或微生物作为催化剂，能够氧化生物燃料，减少电极上氧化剂的用量获取能源。与传统燃料电池相比，BFCs具有操作上和功能上独特的优势。首先，与价格昂贵且储存能力有限的贵金属催化剂不同，生物燃料电池的催化剂绿色安全、来源广泛。同时，BFCs的阳极燃料来自动、植物的可再生生物燃料，而O₂通常在阴极起氧化剂的作用，将底物直接转化为电能，保证了较高的能量转化效率。其次，BFCs能在常温、常压甚至是低温的环境条件下有效运作，电池维护成本低、安全性强。另一方面，生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体。因此，BFCs有望成为下一代绿色可持续能源设备之一。

目前，BFCs处于试验阶段，由于BFCs低开路电压、不可靠的功率输出和长期不稳定性等因素限制了该控制系统的商业适用性，大规模的工业化应用尚未成熟。大部分燃料电池为双酶体系，单酶生物燃料电池的报道较少。Ji等人开发了一种双室单酶燃料电池，使用漆酶作为唯一的生物催化剂，应用于废水中有机污染物双酚A(BPA)的降解(Ji,C.,Hou,J.W.,Wang,K.,Ng,Y.H.Chen,V.Single-Enzyme Biofuel Cells.Angew Chem Int Edit56,9762-9766,doi:10.1002/anie.201703980(2017).)。Li等人以污染物为燃料开发了高柔性导电细菌纤维素电极单酶生物燃料电池(Li,X.et al.A novel single-enzymaticbiofuel cell based on highly flexible conductive bacterial celluloseelectrode utilizing pollutants as fuel.Chem Eng J 379,doi:Unsp 12231610.1016/J.Cej.2019.122316(2020).)。

一般情况下，葡萄糖燃料电池为双酶体系，葡萄糖氧化酶(GOD)用于催化阳极氧化葡萄糖，漆酶用于阴极O₂的还原。Li等人近期基于碳纳米管材料，以GOD/SWCNTs为阳极，Pt/SWCNTs为阴极，制备了单酶葡萄糖燃料电池(Li,Y.Y.,Xiong,W.,Zhang,C.Yang,X.Research on Flexible Thin-Disk Glucose Biofuel Cells Based on Single-WalledCarbon Nanotube Electrodes.J Nanomater,doi:Artn 1609579 10.1155/2019/1609579(2019).)。但是上述单酶燃料电池均需要质子交换隔膜的存在，同时存在灵敏度低、柔性差、操作繁琐、开路电压低、不稳定等缺点。

发明内容