电化学制备聚合物修饰酶电极及其在酶燃料电池中的应用

摘要

生物燃料电池是直接或间接利用酶作为电极催化剂的一种燃料电池。它通过生物物质的催化作用将化学能转化为电能。输出功率偏低和使用寿命短是目前生物燃料电池存在的主要缺点。 本论文以酶燃料电池为主要研究目标，从电极材料的选择和设计合成出发，从提高电极的电子转移能力着手，提高生物燃料电池的电性能。研究以壳聚糖为固定酶电极的基体，与电活性材料聚苯胺或碳纳米管复合修饰酶电极，并用双酶电极构建酶燃料电池。 用电化学聚合的方法制备聚苯胺/壳聚糖复合膜。通过壳聚糖与酶分子之间的静电作用以及壳聚糖和酶分子交联得到的固定酶电极，提高酶的保持能力。通过电化学沉积制备的聚苯胺/壳聚糖复合膜修饰的酶电极比单独采用聚苯胺或壳聚糖修饰酶电极具有更好的电化学响应性能。此外还研究了合成条件对酶电极的影响。 研究了过渡金属离子掺杂的聚苯胺在中性溶液下的电化学性能。认为与质子酸掺杂相比，在强酸性溶液中电子转移能力较低，但在弱酸性和中性溶液中电子转移能力较高。通过比较不同pH溶液中过渡金属掺杂的聚苯胺电极发现电极性能基本不受溶液pH值的影响。用过渡金属离子掺杂聚苯胺/壳聚糖复合膜修饰酶电极，与未经过渡金属离子掺杂的电极相比，不仅相应电流提高，而且响应时间缩短。 利用合成的壳聚糖和碳纳米管的接枝产物制备酶电极，由于碳纳米管的存在使电极的电子转移能力提高。用接枝产物的溶液作为电解液代替壳聚糖和碳纳米管的混合溶液制备电沉积壳聚糖/CNTs膜。研究了壳聚糖接枝碳纳米管修饰电极对H2O2的电化学催化行为以及壳聚糖接枝CNTs修饰GOD电极的性能。研究表明，接枝电极能够降低电极过电位，有利于提高响应电流和催化效率。此外，用壳聚糖接枝碳纳米管膜修饰的GOD电极对葡萄糖溶液具有较高的响应电流。 以壳聚糖接枝碳纳米管修饰的漆酶电极作为正极，电化学方法制备的壳聚糖/聚苯胺复合膜修饰的GOD电极作为负极，构成酶燃料电池。研究了酶燃料电池的电压、输出功率等电性能，实验表明用聚苯胺和碳纳米管修饰的酶电极可以用于生物燃料电池中。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1生物燃料电池

1.2酶燃料电池的基本结构和性能

1.2.1两极室结构的酶燃料电池

1.2.2无隔膜的酶燃料电池

1.2.3利用光能的酶燃料电池

1.2.4酶燃料电池的性能

1.3酶生物燃料电池中的酶电极

1.3.1酶电极对电池性能的影响

1.3.2酶分子及其催化动力学

1.3.3固定酶电极

1.3.4电子介体

1.3.5酶燃料电池中常用的酶电极

1.4生物燃料电池中酶电极的修饰技术

1.4.1化学修饰电极技术及其分类

1.4.2几种重要的电极表面修饰技术

1.4.3壳聚糖修饰酶电极

1.4.4导电聚合物的电化学聚合同定酶电极

1.4.5碳纳米管及其在生物燃料电池酶电极中的应用

1.5选题内容、目的和意义

第二章电化学沉积聚苯胺/壳聚糖复合膜及其修饰葡萄糖氧化酶电极性能研究

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1试剂

2.2.2仪器

2.2.3电化学方法制备壳聚糖/聚苯胺的复合膜电极

2.2.4聚苯胺/GOD电极制备

2.2.5聚苯胺/壳聚糖/GOD电极制备

2.2.6电极测试及表征

2.3结果和讨论

2.3.1苯胺在HCl溶液与在HCl/壳聚糖溶液中聚合比较

2.3.2电化学聚合产物的微观形貌和红外光谱分析

2.3.3电化学聚合聚苯胺/壳聚糖复合膜电极机理分析

2.3.4壳聚糖/聚苯胺复合膜电极的电化学行为

2.3.5制备条件对壳聚糖/聚苯胺膜性能的影响

2.3.6壳聚糖/聚苯胺复合膜修饰的葡萄糖氧化酶电极对葡萄糖的催化行为

2.4小结

第三章过渡金属掺杂聚苯胺及其固定化葡萄糖氧化酶电极的性能研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1试剂

3.2.2实验仪器

3.2.3过渡金属掺杂聚苯胺电极的制备

3.2.4过渡金属掺杂聚苯胺GOD电极的制备

3.3结果和讨论

3.3.1聚苯胺在弱酸性溶液中的电化学性能

3.3.2 Fe3+掺杂聚苯胺电极的电化学性能

3.3.3 Fe3+掺杂聚苯胺电极的机理分析

3.3.4不同过渡金属离子掺杂的聚苯胺电极

3.3.5溶液的pH值对过渡金属掺杂的聚苯胺电极的影响

3.3.6经FeCl3处理的GOD电极循环伏安行为

3.3.7过渡金属掺杂聚苯胺/壳聚糖的GOD电极的性能

3.4小结

第四章电化学沉积壳聚糖接枝碳纳米管电极制备和应用

4.1前言

4.2实验

4.2.1试剂和仪器

4.2.2壳聚糖接枝CNTs制备

4.2.3金电极的预处理

4.2.4壳聚糖混合CNTs溶液中电极制备

4.2.5壳聚糖接枝CNTs电极制备

4.2.6 GOD电极制备

4.2.7测试

4.3结果和讨论

4.3.1沉积过程

4.3.2沉积膜的SEM

4.3.3壳聚糖接枝CNTs电极在铁氰化钾中的循环伏安行为

4.3.4壳聚糖/CNTs电极对H2O2的催化性能

4.3.5壳聚糖/CNTs固定GOD电极对葡萄糖的催化性能

4.4小结

第五章电化学沉积壳聚糖接枝碳纳米管修饰的漆酶电极

5.1前言

5.2实验

5.2.1试剂和仪器

5.2.2金电极的预处理

5.2.3壳聚糖混合CNTs溶液中电极制备

5.2.4.壳聚糖接枝CNTs电极制备

5.2.5 Lac电极制备

5.2.6测试

5.3结果和讨论

5.3.1修饰电极在邻苯二酚溶液中的电化学行为

5.3.2邻苯二酚溶液浓度与响应电流的关系

5.3.3沉积时间对漆酶电极响应的影响

5.4.小结

第六章电化学方法制备的双酶电极生物燃料电池

6.1前言

6.2实验部分

6.2.1试剂

6.2.2仪器

6.2.3碳纸的预处理

6.2.4电极的制备

6.2.5电池测试

6.3结果和讨论

6.4小结

第七章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢