[发明专利]一种自支撑电极基底材料及基于其的双室酶生物燃料电池

说明书

本发明涉及一种自支撑电极基底材料及基于其的双室酶生物燃料电池。采用的技术方案是：将强酸处理后的碳纸分别在碳酸钾溶液、硝酸钾的磷酸盐缓冲溶液中进行两步电化学剥离。然后将所得材料进行电化学沉积金纳米粒子，将其作为集流体固载酶，制备了基于碳纸为载体的葡萄糖氧化酶修饰电极。以HEG/Au‑GOx电极为生物阳极，HEG/Au‑Lac电极为生物阴极，葡萄糖作为生物燃料，制备双室酶生物燃料电池。本发明的双室酶生物燃料电池成本低，制备简单，且可以达到较大的功率密度。

技术领域

本发明属于生物燃料电池电极材料领域，具体地说涉及一种自支撑电极基底材料及基于其的双室酶生物燃料电池。

背景技术

生物燃料电池是一种广受关注的清洁、高效的绿色能源。酶生物燃料电池(EBFCs)作为生物燃料电池的一个子类，利用酶通过阳极上发生的电化学氧化，从碳水化合物、尿素和有机酸等可再生燃料中发电。与其他传统能源系统相比，它们成本较低，在温和的条件下利用可再生能源发电且对燃料具有选择性。这些优点使它们成为可植入医疗设备(如起搏器和微型药物泵)的合适选择，甚至可用于废水处理、药物输送、生物传感器等设备。

葡萄糖氧化酶(GOx)由于其对葡萄糖的利用率和高选择性，是酶生物燃料电池中最受青睐的酶。目前在制备高性能的酶生物燃料电池时最具挑战性的部分是酶在电极表面的高效固定化。GOx固定化在电极表面的局限性主要是存在酶的浸出、酶寿命较短、酶活性位点与电极之间的电子转移较差等问题，这是其能量密度和功率密度较低的原因。石墨烯基纳米材料具有较大的比表面积、高孔隙率、优异的导电性、易于合成和功能化等独特特性，为生物分子提供了理想的固定化场所，能够固载大量酶，孔结构包裹酶的同时降低了酶的浸出，延长了酶的使用寿命，使其能够广泛应用于生物传感和能源相关应用。

发明内容

针对生物燃料电池电极材料发展的需求，本发明提供一种制备工艺简单，价格低廉的自支撑基底电极的制备方法及应用，功能化剥离石墨烯的大比表面积及良好的导电性与负载的金纳米粒子相结合，应用于酶生物燃料电池中表现出较好的循环性能以及较大的功率密度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种自支撑电极基底材料，制备方法包括如下步骤：

1)将预处理后的碳纸用强酸处理；

2)以强酸处理后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于碳酸钾水溶液中，进行第一步电化学剥离；

3)以第一步电化学剥离后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于硝酸钾的磷酸盐缓冲液中，进行第二步电化学剥离；

4)以第二步电化学剥离后的碳纸为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，将三电极体系置于含金溶液中，进行电沉积，在碳纸表面沉积一层金纳米粒子，所得材料经去离子水洗涤，干燥，得三维结构的自支撑电极基底材料。

进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤1)中，所述碳纸为亲水性碳纸。

进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤1)具体为：按体积比，浓硝酸:浓硫酸＝3:1，将浓硝酸和浓硫酸混合均匀，得强酸混合溶液，将强酸混合溶液滴涂在预处理后的碳纸上，室温静置5分钟后，用去离子水冲洗至中性。

进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤2)中，所述碳酸钾水溶液的浓度为0.5mol/L；第一步电化学剥离过程中，扫描电位为0.5-1.8V，扫描圈数为6，扫描速率为20mVs-1。

进一步的，上述的一种自支撑电极基底材料，步骤3)中，所述硝酸钾的磷酸盐缓冲液中，所述磷酸盐缓冲液的pH＝7，硝酸钾的浓度为1mol/L；第二步电化学剥离过程中，扫描电位为-0.9-1.9V，扫描圈数为6，扫描速率为20mV s^-1。