本發明公開了一種酶生物燃料電池陽極薄膜材料的制備方法，屬于電池材料合成領域。
背景技術：
生物燃料電池（BFC）是一種利用生物催化劑將化學能直接轉化為電能的裝置。常用的生物催化劑有微生物、細胞器（如線粒體）和酶。其中酶生物燃料電池（EBFC）的能量輸出相比另外兩種BFC要高很多，成為BFC研究的熱點。由于酶種類多、易提取且催化條件溫和，于傳統的燃料電池相比，EBFC具有燃料來源廣泛，價格低廉和能夠在溫和環境中工作（溫度為20～40℃，中性pH）等優點，尤其是葡萄糖/氧氣BFC可以利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作為BFC的陽極和陰極底物輸出電流，有望用于如心臟起搏器等低能耗小型設備的內置電源。然而，由于酶的有效固定量有限、酶與電極間電子傳遞不暢、酶容易失活且存在泄漏等問題，EBFC也存在功率密度低、壽命短等缺點。因此，加快酶與電極間的電子傳遞、固定更多的酶且同時保持酶活性成為當前EBFC研究的重點。
早期燃料電池是將酶溶于溶液中，由于酶在溶液中只能保持數天，所以電池的壽命很短，而將酶固定在電極上，可以保持酶的活性，延長電池的使用周期。物理吸附是最簡單的酶固定化方法，酶蛋白的活性中心不易被破壞，但相互作用較弱，需進一步提高載酶量及酶的穩定性。近年來，通過改進葡萄糖氧化酶電極的制備方法，如共價鍵連接和分子自組裝、加入導電材料和氧化還原聚合物修飾電極等，更好的滿足了酶生物燃料電池對電極的要求，但由于葡萄糖氧化酶的輔基FAD被蛋白質外殼包圍，阻礙了電子在酶活性中心和電極導電材料之間的轉移。
技術實現要素：
本發明主要解決的技術問題是：針對傳統酶生物燃料電池陽極材料在使用過程中出現的，酶的有效固定量低，酶與電極電子傳遞不順暢，導致生物燃料電池功率密度低，壽命短的問題，提供了一種酶生物燃料電池陽極薄膜材料的制備方法，本發明首先以葡萄糖氧化酶為陽極氧化酶，以甘油和蔗糖為酶穩定保護劑，經超聲分散成酶液，再與殼聚糖和明膠于弱酸性條件下混合，經氫氧化鈉溶液調節pH沉淀后，用紗布過濾，在玻璃板表面涂覆成膜，經干燥脫水后，浸泡于緩沖溶液中使膜脫離，再將膜置于戊二醛溶液中發生交聯反應，增加膜的剛性，避免殼聚糖在酸性條件下軟化流失，最后經洗滌干燥得到酶生物燃料電池陽極薄膜材料。本發明所得薄膜材料負載于Au電極作為燃料電池陽極顯示出優異的電催化活性，且穩定性好，重現性高，酶可在薄膜的多層結構中保持活性，且薄膜內有大量的電活性中心，十分利于電催化。
為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：
（1）依次稱取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去離子水的燒杯中，隨后將燒杯置于超聲振蕩儀中，于溫度為45～50℃，功率為160～180W條件下，超聲分散8～10min，隨后將燒杯迅速轉入2～4℃冰水浴中處理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；
（2）依次稱取0.8～1.2g殼聚糖，3～5g明膠，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL質量濃度為2～4%醋酸溶液的燒杯中，再將燒杯轉入磁力攪拌器上，以400～600r/min轉速攪拌混合20～30min，在攪拌狀態下，滴加質量濃度為6～8%氫氧化鈉溶液，調節pH至8.6～8.8，繼續攪拌混合10～15min；
（3）待攪拌混合結束，用雙層紗布過濾，除去濾液，將濾餅均勻涂覆于玻璃板表面，再將玻璃板轉入真空干燥箱中，于溫度為35～40℃條件下干燥2～4h，隨后將玻璃板取出，浸沒于pH為6.8磷酸二氫鈉-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，直至玻璃板表面膜完全脫離；
（4）收集上述緩沖溶液中脫離的膜，用去離子水洗滌3～5次，隨后將膜轉入盛有200～300mL質量濃度為0.02～0.04%戊二醛溶液的燒杯中，再將燒杯轉入水浴鍋中，于溫度為40～45℃，恒溫反應45～60min；
（5）待反應結束，自然冷卻至室溫，過濾，除去濾液，得改性薄膜，用無水乙醇洗滌改性薄膜3～5次，再用去離子水洗滌直至洗滌液呈中性，隨后將改性薄膜轉入真空干燥箱中，于45～50℃條件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料電池陽極薄膜材料。
本發明的應用方法：將Au電極用氧化鋁和鹿皮打磨、拋光，再用質量濃度為20～25%硝酸浸泡2～4h，隨后用丙酮洗滌3～5次，再用去離子水洗滌2～4次，經干燥后將Au電極浸沒于濃度為10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化30～40min，再將本發明所得電池陽極薄膜材料負載于Au電極表面，即得酶生物燃料電池陽極，將其取代常規燃料電池陽極，應用于燃料電池中，經檢測，葡萄糖氧化酶在陽極材料多層結構中保持較高的活性，靈敏度可達6.2～6.5μA/(mmol·cm2)，穩定性好，重現型高，所制備的燃料電池使用壽命較常規燃料電池提高80～100天，可作為微型電源廣泛應用于醫學領域植入人體內部。
本發明的有益效果是：
（1）本發明所得產品原料來源廣泛，廉價易得，應用于燃料電池中反應條件溫和，生物相容性好，是一種可再生的綠色能源，符合可持續發展戰略要求；
（2）本發明所得薄膜材料具有三維空間結構，薄膜內有大量的電活性中心，十分有利于電催化，同時制備方法簡單，電極使用壽命長，可以廣泛使用。
具體實施方式
依次稱取16～18g葡萄糖氧化酶，15～20g甘油，3～5g蔗糖，加入盛有800～1000mL去離子水的燒杯中，隨后將燒杯置于超聲振蕩儀中，于溫度為45～50℃，功率為160～180W條件下，超聲分散8～10min，隨后將燒杯迅速轉入2～4℃冰水浴中處理3～5h，得葡萄糖氧化酶液；依次稱取0.8～1.2g殼聚糖，3～5g明膠，16～20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100～120mL質量濃度為2～4%醋酸溶液的燒杯中，再將燒杯轉入磁力攪拌器上，以400～600r/min轉速攪拌混合20～30min，在攪拌狀態下，滴加質量濃度為6～8%氫氧化鈉溶液，調節pH至8.6～8.8，繼續攪拌混合10～15min；待攪拌混合結束，用雙層紗布過濾，除去濾液，將濾餅均勻涂覆于玻璃板表面，再將玻璃板轉入真空干燥箱中，于溫度為35～40℃條件下干燥2～4h，隨后將玻璃板取出，浸沒于pH為6.8磷酸二氫鈉-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，直至玻璃板表面膜完全脫離；收集上述緩沖溶液中脫離的膜，用去離子水洗滌3～5次，隨后將膜轉入盛有200～300mL質量濃度為0.02～0.04%戊二醛溶液的燒杯中，再將燒杯轉入水浴鍋中，于溫度為40～45℃，恒溫反應45～60min；待反應結束，自然冷卻至室溫，過濾，除去濾液，得改性薄膜，用無水乙醇洗滌改性薄膜3～5次，再用去離子水洗滌直至洗滌液呈中性，隨后將改性薄膜轉入真空干燥箱中，于45～50℃條件下，干燥6～8h，即得酶生物燃料電池陽極薄膜材料。
實例1
依次稱取16g葡萄糖氧化酶，15g甘油，3g蔗糖，加入盛有800mL去離子水的燒杯中，隨后將燒杯置于超聲振蕩儀中，于溫度為45℃，功率為160W條件下，超聲分散8min，隨后將燒杯迅速轉入2℃冰水浴中處理3h，得葡萄糖氧化酶液；依次稱取0.8g殼聚糖，3g明膠，16mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有100mL質量濃度為2%醋酸溶液的燒杯中，再將燒杯轉入磁力攪拌器上，以400r/min轉速攪拌混合20min，在攪拌狀態下，滴加質量濃度為6%氫氧化鈉溶液，調節pH至8.6，繼續攪拌混合10min；待攪拌混合結束，用雙層紗布過濾，除去濾液，將濾餅均勻涂覆于玻璃板表面，再將玻璃板轉入真空干燥箱中，于溫度為35℃條件下干燥2h，隨后將玻璃板取出，浸沒于pH為6.8磷酸二氫鈉-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，直至玻璃板表面膜完全脫離；收集上述緩沖溶液中脫離的膜，用去離子水洗滌3次，隨后將膜轉入盛有200mL質量濃度為0.02%戊二醛溶液的燒杯中，再將燒杯轉入水浴鍋中，于溫度為40℃，恒溫反應45min；待反應結束，自然冷卻至室溫，過濾，除去濾液，得改性薄膜，用無水乙醇洗滌改性薄膜3次，再用去離子水洗滌直至洗滌液呈中性，隨后將改性薄膜轉入真空干燥箱中，于45℃條件下，干燥6h，即得酶生物燃料電池陽極薄膜材料。
將Au電極用氧化鋁和鹿皮打磨、拋光，再用質量濃度為20%硝酸浸泡2h，隨后用丙酮洗滌3次，再用去離子水洗滌2次，經干燥后將Au電極浸沒于濃度為10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化30min，再將本發明所得電池陽極薄膜材料負載于Au電極表面，即得酶生物燃料電池陽極，將其取代常規燃料電池陽極，應用于燃料電池中，經檢測，葡萄糖氧化酶在陽極材料多層結構中保持較高的活性，靈敏度可達6.2μA/(mmol·cm2)，穩定性好，重現型高，所制備的燃料電池使用壽命較常規燃料電池提高80天，可作為微型電源廣泛應用于醫學領域植入人體內部。
實例2
依次稱取17g葡萄糖氧化酶，18g甘油，4g蔗糖，加入盛有900mL去離子水的燒杯中，隨后將燒杯置于超聲振蕩儀中，于溫度為48℃，功率為170W條件下，超聲分散9min，隨后將燒杯迅速轉入3℃冰水浴中處理4h，得葡萄糖氧化酶液；依次稱取1g殼聚糖，4g明膠，18mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有110mL質量濃度為3%醋酸溶液的燒杯中，再將燒杯轉入磁力攪拌器上，以500r/min轉速攪拌混合25min，在攪拌狀態下，滴加質量濃度為7%氫氧化鈉溶液，調節pH至8.7，繼續攪拌混合12min；待攪拌混合結束，用雙層紗布過濾，除去濾液，將濾餅均勻涂覆于玻璃板表面，再將玻璃板轉入真空干燥箱中，于溫度為38℃條件下干燥3h，隨后將玻璃板取出，浸沒于pH為6.8磷酸二氫鈉-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，直至玻璃板表面膜完全脫離；收集上述緩沖溶液中脫離的膜，用去離子水洗滌4次，隨后將膜轉入盛有260mL質量濃度為0.03%戊二醛溶液的燒杯中，再將燒杯轉入水浴鍋中，于溫度為42℃，恒溫反應55min；待反應結束，自然冷卻至室溫，過濾，除去濾液，得改性薄膜，用無水乙醇洗滌改性薄膜4次，再用去離子水洗滌直至洗滌液呈中性，隨后將改性薄膜轉入真空干燥箱中，于48℃條件下，干燥7h，即得酶生物燃料電池陽極薄膜材料。
將Au電極用氧化鋁和鹿皮打磨、拋光，再用質量濃度為22%硝酸浸泡3h，隨后用丙酮洗滌4次，再用去離子水洗滌3次，經干燥后將Au電極浸沒于濃度為10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化35min，再將本發明所得電池陽極薄膜材料負載于Au電極表面，即得酶生物燃料電池陽極，將其取代常規燃料電池陽極，應用于燃料電池中，經檢測，葡萄糖氧化酶在陽極材料多層結構中保持較高的活性，靈敏度可達6.3μA/(mmol·cm2)，穩定性好，重現型高，所制備的燃料電池使用壽命較常規燃料電池提高90天，可作為微型電源廣泛應用于醫學領域植入人體內部。
實例3
依次稱取18g葡萄糖氧化酶，20g甘油，5g蔗糖，加入盛有1000mL去離子水的燒杯中，隨后將燒杯置于超聲振蕩儀中，于溫度為50℃，功率為180W條件下，超聲分散10min，隨后將燒杯迅速轉入4℃冰水浴中處理5h，得葡萄糖氧化酶液；依次稱取1.2g殼聚糖，5g明膠，20mL上述所得葡萄糖氧化酶液，加入盛有120mL質量濃度為4%醋酸溶液的燒杯中，再將燒杯轉入磁力攪拌器上，以600r/min轉速攪拌混合30min，在攪拌狀態下，滴加質量濃度為8%氫氧化鈉溶液，調節pH至8.8，繼續攪拌混合15min；待攪拌混合結束，用雙層紗布過濾，除去濾液，將濾餅均勻涂覆于玻璃板表面，再將玻璃板轉入真空干燥箱中，于溫度為40℃條件下干燥4h，隨后將玻璃板取出，浸沒于pH為6.8磷酸二氫鈉-磷酸氫二鈉緩沖溶液中，直至玻璃板表面膜完全脫離；收集上述緩沖溶液中脫離的膜，用去離子水洗滌5次，隨后將膜轉入盛有300mL質量濃度為0.04%戊二醛溶液的燒杯中，再將燒杯轉入水浴鍋中，于溫度為45℃，恒溫反應60min；待反應結束，自然冷卻至室溫，過濾，除去濾液，得改性薄膜，用無水乙醇洗滌改性薄膜5次，再用去離子水洗滌直至洗滌液呈中性，隨后將改性薄膜轉入真空干燥箱中，于50℃條件下，干燥8h，即得酶生物燃料電池陽極薄膜材料。
將Au電極用氧化鋁和鹿皮打磨、拋光，再用質量濃度為25%硝酸浸泡4h，隨后用丙酮洗滌5次，再用去離子水洗滌4次，經干燥后將Au電極浸沒于濃度為10mmol/La-硫辛酸的乙醇溶液中活化40min，再將本發明所得電池陽極薄膜材料負載于Au電極表面，即得酶生物燃料電池陽極，將其取代常規燃料電池陽極，應用于燃料電池中，經檢測，葡萄糖氧化酶在陽極材料多層結構中保持較高的活性，靈敏度可達6.5μA/(mmol·cm2)，穩定性好，重現型高，所制備的燃料電池使用壽命較常規燃料電池提高100天，可作為微型電源廣泛應用于醫學領域植入人體內部。