基于碳纳米管的酶生物燃料电池酶电极的研究

摘要

生物燃料电池是一种能直接将化学能转化为电能的有效装置。依据催化剂的不同,可分为微生物燃料电池(MBFC)和酶生物燃料电池(EBFC)。MBFC主要是以微生物活体为催化剂,EBFC主要以提纯的酶为催化剂。近年来,由于EBFC的低成本、电解质无腐蚀性、较好的生物相容性等优势,正成为国际生物电化学的前沿研究领域之一。目前EBFC存在的主要问题是输出功率低和使用寿命短,这是EBFC走向实际应用的瓶颈。这个问题主要与酶和电子转移中间体的固定方法和材料有关。为了改善EBFC的输出功率和稳定性,寻找酶及中间体的新型固定材料、固定方法成为EBFC研究的热点。本论文以碳纳米管(CNTs)为载体,发展了几种CNTs表面修饰方法,以此实现生物酶及中间体的固定,并系统研究了获得的酶电极及酶生物燃料电池的性能。具体研究内容可归纳如下:
　　(1)通过π-π吸附作用利用1-芘甲醛(PA)对CNTs表面进行非共价修饰,实现了漆酶(LAC)在CNTS上的固定,循环伏安法(CV)测试结果表明:与未修饰CNTs固定LAC的酶电极(LAC/CNTs电极)相比,PA修饰CNTs固定LAC的酶电极(LAC/PA-CNTS电极)对氧还原具有更优异的电催化活性。以此为阴极,CNTs固定葡萄糖氧化酶(GOD)为阳极(GOD/CNTs电极)构建BFCs具有较高的输出功率。
　　(2)以β-环糊精(β-CD)修饰的酸化CNTs为载体,实现了中间体二茂铁(Fc)在CNTs上的固定,后跟GOD混合再加入戊二醛交联,形成大的酶簇结构。把复合物涂滴到电极表面干燥,制得GOD/CNTs-CD-Fc电极。与未用β-CD修饰的GOD/CNTs-Fc电极相比,GOD/CNTs-CD-Fc电极对催化葡萄糖氧化具有更好的催化活性,与商业E-TEK Pt/C修饰的玻碳电极作为阴极组成生物燃料电池,输出功率也明显提高。
　　(3)以乙二胺(EDA)修饰的CNTs固定二茂铁甲醛(Fc),蚕丝蛋白膜(SF)与戊二醛交联固定GOD,研究了以CNTs-Fc与SF-GOD形成的复合物修饰的玻碳电极(CNTs-Fc/SF-GOD)对葡萄糖氧化的电催化性能,结果表明CNTs-Fc/SF-GOD电极对葡萄糖具有很好的催化活性。以CNTs-Fc/SF-GOD电极为生物阳极,商业E-TEKPt/C修饰的玻碳电极作为阴极组成生物燃料电池,其开路电压是0.48V,最大的功率密度是50.7μW cm-2。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 生物燃料电池概述

1.1.1 生物燃料电池的工作原理及结构

1.1.2 生物燃料电池发展历史及研究现状

1.1.3 生物燃料电池的分类和特点

1.2 酶生物燃料电池

1.2.1 酶生物燃料电池的发展及研究概况

1.2.2 酶生物燃料电池中主要的酶

1.2.3 酶生物燃料电池中的主要电子转移中间体

1.2.4 酶和电子转移中间体的主要固定方法

1.3 酶及中间体固定化载体

1.3.1 碳纳米管作为酶及中间体载体的主要应用

1.3.2 生物材料作为酶及中间体载体的主要应用

1.4 本课题选择的意义和内容

第2章 基于1-芘甲醛功能化碳纳米管固定漆酶的酶生物燃料电池阴极研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品

2.2.2 实验仪器

2.2.3 实验所需溶液

2.2.4 酶电极的制备

2.2.5 PA-CNTs的表征及酶电极对O2还原的电催化性能测试

2.2.6 BFC的构建及性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 PA-CNTs的红外和热重表征

2.3.2 LAC/PA-CNTs电极的电化学表征

2.3.3 LAC/PA-CNTs电极对O2还原的电催化性能

2.3.4 催化剂担载量对LAC/PA-CNTs电极催化性能的影响

2.4 本章小结

第3章 基于β-环糊精功能化碳纳米管固定中间体/戊二醛交联GOD复合物的酶生物燃料电池阳极研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品

3.2.2 实验仪器

3.2.3 实验所需溶液

3.2.4 酶电极的制备

3.2.5 材料表征及酶电极对葡萄糖氧化的电催化性能测试

3.2.6 BFC的构建及测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 CNTs-CD、CNTs-CD-Fc的热重及红外表征

3.3.2 酶电极对葡萄糖的电催化氧化及稳定性

3.3.3 BFC的性能测试

3.4 本章小结

第4章 基于碳纳米管固定中间体/蚕丝蛋白膜固定GOD复合物的酶生物燃料电池高性能阳极研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验药品

4.2.2 实验仪器

4.2.3 实验所需溶液

4.2.4 电极的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 CNTs-Fc的红外表征

4.3.2 CNTs-Fc/SF-GOD电极的电化学表征

4.3.3 CNTs-Fc/SF-GOD电极的稳定性及对葡萄糖的电催化氧化

4.3.4 催化剂担载量、电解液的pH值和葡萄糖浓度对△Ip的影响

4.3.5 BFC的性能测试

4.4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢