一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用

1.本发明涉及酶生物燃料电池技术领域，具体是一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在 酶生物燃料电池的应用。


背景技术：

2.酶生物燃料电池(ebfcs)是一类利用酶催化将生物质燃料的化学能转化为电能的绿 色能源转化装置，其环境友好、无污染的特性，有望成为开发可再生能源的新进途径之一。 生物燃料在阳极氧化产生电子，电子需要被运输到阴极用于还原氧化剂。由于酶的活性中 心往往位于酶蛋白质中心，酶和电极之间的电子传递缓慢、电极的低导电性等往往会限制 酶生物燃料电池的性能。因此，具有优良导电性，高比表面积，电化学稳定性和高生物相 容性的碳质材料常常作为导电纳米线，在酶的活性中心和电极之间建立电连通。
3.沥青的成分及结构非常复杂，绝大部分属于多环芳烃及其衍生物，碳含量高、高芳香 性等特性使其成为炭材料的优质前驱体，具有来源广泛、碳收率高、成本低等优点，尤其 适合制备石墨材料、多孔炭、碳纤维等产品。同时选用沥青作为原料，迎合世界经济环保 的主题，变废为宝，材料制作过程中的原材料的损耗率小。沥青质衍生的炭材料具有大的 比表面积、多孔结构和优异的化学稳定性、良好的导电性和高的机械强度等优异的物理和 化学性质，符合绿色可持续发展的倡导理念，因此备受科学界的关注并在材料制备、能量 存储和生物医学、生物燃料电池等领域广泛应用。chou等以沥青为碳源，制备了硅/炭复 合材料并应用于锂电负极，可逆容量为400mahg-1
，充放电循环1000次后容量保持率为 71.3％。刘洪波等采用溶液混合法将沥青与中间相炭微球混合，有效解决了等静压成型、 焙烧和石墨化处理制备石墨材料时中间相炭微球自烧结性差的问题。
4.沥青基炭材料在锂离子电池负极中的研宄已经取得了进展，但是其在生物燃料电池中 的应用研究还较少。沥青分子的高芳香性，炭化过程中分子间强π-π相互作用使制备的 软炭材料碳层间距较小，不利于存储半径较大的钠离子，为满足更高的电催化电极性能不 断增长的需求，非常需要开发用于固定化酶的新型混合电极材料用于ebfcs的构建。沥青 衍生炭材料的无定型结构使其缺陷更大，层面上拥有更大的比表面积和更大的电荷容纳空 间，能够吸附酶和介体，促使酶和电极之间实现更高效的电子转移。
5.因此，本领域技术人员提供了一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池 的应用，以解决上述背景技术中提出的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应 用，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种沥青衍生炭材料的制备方法，所述沥青衍生炭材料由沥青经k2feo4催化炭化
制得。
9.制备方法如下：
10.1)k2feo4和沥青混合均匀，并粉碎，得混合原料粉末；
11.2)将所述混合原料粉末装入容器中，真空60-70℃干燥12h；
12.3)冷却后，将上述混合原料粉末样品装入研锅磨碎，装入容器中置于水平管式炉的 中心，然后在nh3流或n2流下将管式炉加热到1200℃，并保温2h；
13.4)上述样品冷却至室温后，倒入烧杯加适当体积h2so4，70℃下油浴24h，洗至ph为 中性，真空60-70℃干燥12h，即得。该碳材料可作为葡萄糖/o
2 ebfcs的电极材料。
14.作为本发明进一步的方案：所述步骤1)中，所述k2feo4和沥青的质量比为1/3-3： 1，具体可为1:1。
15.作为本发明再进一步的方案：所述粉碎的方式为加液研磨，所述混合原料粉末的粒径 小于200目。
16.作为本发明再进一步的方案：所述步骤2)中，所述容器就是普通玻璃平皿，置于真 空干燥箱中干燥。
17.作为本发明再进一步的方案：所述步骤3)中，所述加热的加热速率为1～10℃/min， 所述加热，具体可为2℃/min。
18.作为本发明再进一步的方案：所述步骤4)中，所述适当体积的h2so4，具体可为5倍 体积的2mol/l h2so4。所述步骤4)中，将产物洗至ph为中性的方法为：将产物用用砂芯 漏斗过滤，去离子水彻底洗涤以除去杂质，然后在60℃下干燥。
19.沥青衍生炭材料在酶生物燃料电池的应用：所述应用为所述炭材料在制备酶生物燃料 电池中的应用，或所述应用为所述炭材料在制备生物燃料电池用的电极材料中的应用；所 述生物燃料电池进一步可为酶促生物燃料电池，具体可为葡萄糖/氧气生物燃料电池；所 述炭材料在所述葡萄糖/氧气生物燃料电池中作为固定酶的载体。
20.一种酶电极，所述酶电极，依次包括基底电极、炭材料层、酶层；进一步的，所述酶 电极还包括涂覆在所述酶层表面的nafion涂层；所述基底电极可为玻碳电极(gce)、泡 沫镍、碳纸、碳布或碳毡；所述碳复合材料层中，每平方厘米基底电极上碳复合材料的含 量为5.92-11.84mg
·
cm-2
；所述酶层中的酶具体可为葡萄糖氧化酶(gox)或胆红素氧化酶 (bod)；当所述酶层是葡萄糖氧化酶(gox)，所述酶电极可作为酶生物燃料电池电极中 的阳极；当所述酶层是胆红素氧化酶(bod)，所述酶电极可作为酶生物燃料电池电极中 的阴极；所述nafion涂层是由nafion溶液滴加在所述酶层表面，干燥后形成的涂层。
21.一种酶生物燃料电池。所述酶生物燃料电池包括上述的酶电极，本发明的发明人开发 了一种方便的催化热解合成策略，以合成沥青衍生炭材料adc。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1、本发明设计合成的沥青衍生炭材料adc作为葡萄糖/o
2 ebfcs的电极材料。该材料 具有蓬松多孔、比表面积大的特点，有利于传质和导电，且石墨化程度下降的特性，显著 增强了酶的固定性，电极稳定性和传质，从而提高了ebfcs性能。结果表明，配备有沥青 衍生炭材料adc的葡萄糖/o
2 ebfcs可以输出高达0.63v的ocp和0.18mw cm2的最大功率 密度，并且具有较高的稳定性，这主要归因于adc的多孔结构和比表面积大带来高的酶负 载量。无定型结构使其缺陷更大，层面上拥有更大的比表面积和更大的电荷容纳空间，能 够吸附
酶和介体，促使酶和电极之间实现更高效的电子转移。当沥青衍生炭材料adc用作制造生物阴极的酶载体材料时，它将有助于生物阴极的orr，从而提高ebfcs性能。
24.2、本发明合成的炭材料，该材料是沥青经k2feo4催化热解形成的沥青基炭纳米复合材料，并表征为电极材料，用于固定gox和bod来构建葡萄糖/o2ebfcs。沥青衍生炭材料可以促进电子从酶的活性中心转移到电极表面。最重要的是，粗糙的表面和多孔的纳米结构赋予沥青衍生炭材料优异的酶捕获功能，酶既可以吸附在材料表面，又可以封装在材料的孔内。因此，组装后的ebfcs表现出高达0.63v的高ocp，在0.29v时输出的最大功率密度为0.18mwcm-2
，因此沥青衍生炭材料是捕获其他生物催化剂以用于广泛的生物技术应用的有前途的候选者。
附图说明
25.图1为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用的沥青衍生碳材料adc的xrd图。
26.图2为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中沥青衍生碳材料adc的ftir图。
27.图3为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中沥青衍生碳材料adc的孔径分布图。
28.图4为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中沥青衍生碳材料adc的氮气等温吸脱附曲线图。
29.图5为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中沥青衍生碳材料adc的扫描电镜图。
30.图6为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中沥青衍生碳材料adc负载在玻碳电极的cv曲线图。
31.图7(a)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中沥青衍生碳材料adc负载在玻碳电极上的cv示意图；
32.图7(b)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中为adc-3/ttf/gox负载在玻碳电极上的eis图。
33.图8(a)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中adc-0,adc-3,adc-0/ttf/gox和adc-0/ttf/gox电极在0.5mpbs(ph7.0)中的cv曲线图；
34.图8(b)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中adc-0/ttf/gox和adc-0/ttf/gox电极在有无0.1m葡萄糖的0.5mpbs(ph7.0)中的cv曲线图。
35.图9(a)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中adc/ttf/gox电极在0.5mpbs(ph7.0)中不同扫速下的cv曲线；
36.图9(b)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中ep与lnv的关系图；
37.图9(c)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中电流密度与v
1/2
的关系图；
38.图9(d)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中电流密度与葡萄糖浓度关系图；
39.图10为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中 adc/ttf/gox修饰的玻碳电极在连续添加5mm葡萄糖、0.2mm尿酸(ua)、0.2mm 对乙酰氨基苯酚(apap)、0.2mm多巴胺(da)和5mm葡萄糖时的电流响应示意图。
40.图11(a)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中生物凝 胶单电池的功率密度图；
41.图11(b)为一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃料电池的应用中四个生 物凝胶电池串联点亮led灯泡图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地 描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
43.请参阅图1～11，本发明实施例中，一种沥青衍生炭材料的制备方法及其在酶生物燃 料电池的应用，所述沥青衍生炭材料由沥青经k2feo4催化炭化制得。
44.制备方法如下：
45.1)k2feo4和沥青混合均匀，并粉碎，得混合原料粉末；
46.2)将所述混合原料粉末装入容器中，真空60-70℃干燥12h；
47.3)冷却后，将上述混合原料粉末样品装入研锅磨碎，装入容器中置于水平管式炉的 中心，然后在nh3流或n2流下将管式炉加热到1200℃，并保温2h；
48.4)上述样品冷却至室温后，倒入烧杯加适当体积h2so4，70℃下油浴24h，洗至ph为 中性，真空60-70℃干燥12h，即得。该碳材料可作为葡萄糖/o
2 ebfcs的电极材料。
49.上述方法步骤1)中，所述k2feo4和沥青的质量比为1/3-3：1，具体可为1:1。
50.所述粉碎的方式为加液研磨，所述混合原料粉末的粒径小于200目。
51.上述步骤2)中，所述容器就是普通玻璃平皿，置于真空干燥箱中干燥。
52.上述步骤3)中，所述加热的加热速率为1～10℃/min，所述加热，具体可为2℃ /min。
53.上述步骤4)中，所述适当体积的h2so4，具体可为5倍体积的2mol/l h2so4。
54.上述步骤4)中，将产物洗至ph为中性的方法为：将产物用用砂芯漏斗过滤，去离子 水彻底洗涤以除去杂质，然后在60℃下干燥。
55.沥青衍生炭材料在酶生物燃料电池的应用：
56.所述应用为所述炭材料在制备酶生物燃料电池中的应用，或所述应用为所述炭材料在 制备生物燃料电池用的电极材料中的应用；所述生物燃料电池进一步可为酶促生物燃料电 池，具体可为葡萄糖/氧气生物燃料电池；所述炭材料在所述葡萄糖/氧气生物燃料电池中 作为固定酶的载体。
57.本发明还保护一种酶电极。所述酶电极，依次包括基底电极、炭材料层、酶层；进一 步的，所述酶电极还包括涂覆在所述酶层表面的nafion涂层；所述基底电极可为玻碳电 极(gce)、泡沫镍、碳纸、碳布或碳毡；所述碳复合材料层中，每平方厘米基底电极上 碳复合材料的含量为5.92-11.84mg
·
cm-2
；所述酶层中的酶具体可为葡萄糖氧化酶(gox) 或胆红素
氧化酶(bod)；当所述酶层是葡萄糖氧化酶(gox)，所述酶电极可作为酶生物 燃料电池电极中的阳极；当所述酶层是胆红素氧化酶(bod)，所述酶电极可作为酶生物 燃料电池电极中的阴极；所述nafion涂层是由nafion溶液滴加在所述酶层表面，干燥后 形成的涂层。
58.本发明还保护一种酶生物燃料电池。所述酶生物燃料电池包括上述的酶电极。本发明 的发明人开发了一种方便的催化热解合成策略，以合成沥青衍生炭材料adc。
59.本发明设计合成的沥青衍生炭材料adc作为葡萄糖/o
2 ebfcs的电极材料。该材料具有 蓬松多孔、比表面积大的特点，有利于传质和导电，且石墨化程度下降的特性，显著增强 了酶的固定性，电极稳定性和传质，从而提高了ebfcs性能。结果表明，配备有沥青衍生 炭材料adc的葡萄糖/o
2 ebfcs可以输出高达0.63v的ocp和0.18mw cm2的最大功率密度， 并且具有较高的稳定性，这主要归因于adc的多孔结构和比表面积大带来高的酶负载量。 无定型结构使其缺陷更大，层面上拥有更大的比表面积和更大的电荷容纳空间，能够吸附 酶和介体，促使酶和电极之间实现更高效的电子转移。当沥青衍生炭材料adc用作制造生 物阴极的酶载体材料时，它将有助于生物阴极的orr，从而提高ebfcs性能。
60.沥青衍生炭材料adc的合成及表征：
61.1、沥青衍生炭材料adc的合成
62.将0.5g k2feo4和3ml h2o均匀混合于烧杯后，1g沥青于研锅中磨碎，并用研钵和 研棒研磨至少20分钟，以确保前体混合得很好。得混合原料粉末；将所述混合原料粉末 装入玻璃平皿中，置于真空干燥箱60-70℃干燥12h，彻底干燥；将上述混合原料粉末样 品再次装入研锅磨碎以获得细粉(粒径小于200目)。再次研磨后将粉末装入石墨坩埚中， 置于水平管式炉的中心，然后在nh3流或n2流下，以2℃min-1
的加热速率将管式炉加热到 1200℃，并在1200℃下保温2h；上述样品冷却自然冷却至室温后，将产物倒入烧杯加5 倍体积2m h2so4，70℃下油浴24h，将产物用去离子水彻底洗涤，洗至ph为中性，然后 真空60-70℃干燥12h，即得沥青衍生炭材料adc。
63.2、沥青衍生炭材料adc的表征
64.沥青衍生炭材料adc是通过使用沥青和k2feo4通过方便的催化热解工艺制备的。沥青 衍生炭材料adc的示意性合成过程。将沥青和k2feo4充分混合在一起以形成精细粉末。然 后将前体在1200℃下加热2小时，即得沥青衍生炭材料。用xrd、ftir、全自动比表面积 及微孔物理吸附分析仪和电子显微镜研究了合成后的沥青衍生炭材料adc的结构性质和 形貌。在xrd图中(图1)，随着k2feo4的质量比上升，沥青石墨化程度趋势先是下降再 上升，质量比为1:1时，(002)晶面的衍生强度最高，表明该样品的石墨化程度最好。 沥青衍生炭材料的相应sem图像如图5所示，沥青衍生炭材料，在n2氛围中，随着k2fo4质量比的增加，沥青衍生炭材料具有蓬松多孔结构，比表面积增大，有利于传质，且石墨 化程度下降。nh3氛围中，材料程度倾向于无序柔韧。局部的石墨化将赋予沥青基碳纳米 复合材料优异的电导率，并具有快速的电子转移动力学。此外，多空和开放的结构允许酶 容易地渗透到沥青衍生材料adc内部，粗糙表面允许大量的酶被吸附到其表面上。
65.基于沥青衍生炭材料adc的工作电极的制备及电化学测量：
66.1、基于沥青衍生炭材料adc的工作电极的制备
67.工作电极是酶/沥青衍生炭材料adc修饰的玻碳电极(gce，直径3mm)。修饰前，先 用氧化铝浆料(0.3μm和0.03μm)在抛光布上抛光gce，然后在双蒸馏水和乙醇中依次 超声
15s，然后室温下干燥。一种简单的滴铸法用于制造工作电极。将10μl沥青衍生碳 材料adc悬浮液(10mg ml-1
，分散在n,n-二甲基甲酰胺中)和2ul四硫富瓦烯(ttf)介 体溶液(0.02m，溶剂为乙腈)混匀后取2ul浇铸在预处理的gce的表面上，并在空气中 干燥。然后，将5μl gox溶液浇铸在沥青衍生碳材料adc修饰的gce的表面上，并将电 极在4℃的冰箱中保存4h。最后，将将3μl nafion溶液(5
‰
)滴在gox/沥青衍生炭材 料adc修饰的gce的表面上，并将电极在4℃的冰箱中保存2h得生物阳极(表示为 adc/ttf/gox)。
68.对于生物阴极的制备，将10μl沥青衍生炭材料adc悬浮液(10mg ml-1
，分散在n,n
‑ꢀ
二甲基甲酰胺中)和2ul 2,2'-叠氮基双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)(abts)介体溶 液(0.02m，溶剂为水)混匀后取2ul浇铸在预处理的gce的表面上，并在空气中干燥。 然后，将5μl bod溶液浇铸在沥青衍生炭材料adc修饰的gce的表面上，并将电极在4℃ 的冰箱中保存4h。最后，将3μl nafion溶液(5
‰
)滴在bod/沥青衍生炭材料adc修饰 的gce的表面上，并将电极在4℃的冰箱中保存2h得生物阴极(表示为adc/abts/bod)。
69.为了进行对照实验，按照相似的方法制备了adc/gox，adc/bod。
70.2、工作电极的电化学测量
71.电化学实验在chi660e电化学工作站上以三电极系统进行，其中gox/bod/adc/gce被 用作工作电极，在3m kcl中的ag/agcl被用作参比电极，将pt箔(1cm2)用作对电极。 将n2饱和的0.5m pbs(ph 7.0)用作支持电解质。使用包含5mm[fe(cn)6]
3-/4-的0.1m kcl溶液，在0.01hz至100khz的频率下，在1mv的ac施加电势下，以裸gce和bod/沥 青衍生炭材料adc修饰的gce用作工作电极，获得电化学阻抗谱(eis)数据。线性扫描 伏安法(lsv)实验是在n2饱和的0.5m pbs(ph 7.0)中进行的，其中含有不同浓度的 葡萄糖，扫描速率为10mv s-1
。所有测试均在室温下进行。
[0072]
3、电化学性能
[0073]
采用循环伏安法和恒流放电对酶修饰电极和组装的燃料电池进行了电化学测试，以 0.1m kcl为支撑电解质溶液，0.1m kcl，5mm fe[(cn)6]
3/4-)为电化学活性探针，在三 电极体系下对gce和adc改性gce进行cv测试，如图6所示。图中可观测到一对可逆的 氧化还原峰，对应于fe[(cn)6]
3/4-)电对的可逆氧化还原反应。相比于gce，adc改性gce 具有更高的法拉第电流和更小的氧化还原峰间距，表明adc拥有更高的电活性面积和优异 的电子转移动力学。图7(b)为gce和adc改性gce的eis曲线。高、中频区的半圆代表 电荷转移阻抗。可明显观察到gce电极的eis曲线中存在一个半圆。高、中频区adc改性 gce的eis曲线未见明显半圆，表明adc改性gce在电荷转移动力学方面比gce更具优越 性。
[0074]
图8(a)是不同修饰电极在氮气饱和的0.1m pbs(ph7.0)中的cv曲线。由图知， 当adc、ttf和gox同时修饰于gce时才会出现一对氧化还原峰，该氧化还原峰的表观电 位为0.34v(vs.ag/agcl)，与文献报道的gox活性中心fad/fadh2氧化还原电对的表观 电位相差较多，表明adc材料作为gox的载体材料不能实现gox的det,进一步说明介体介 导的电子转移的必要性。图8(b)是加入葡萄糖后的cv曲线，当adc、ttf和gox同时修 饰于gce时会出现一对氧化还原峰，证明酶成功催化葡萄糖，改性材料的比表面大吸附更 多的ttf来介导电子，有更大的氧化电流，这也说明介体介导的电子转移的必要性。
[0075]
图9研究了不同扫描速率下adc/ttf/gox的循环伏安曲线，以评价电子转移动力学。 图9(a)显示了adc/ttf/gox在从50到500mv s-1
的不同扫描速率下的cv曲线。图9 (b)氧
化还原峰电流与扫描速率之间的线性关系表明adc/ttf/gox中的gox是一个准可 逆的表面受限过程。在高扫描速率下，峰电位与扫描速率的纳皮尔对数呈线性关系(图 9c)。图9(d)探究催化电流随葡萄糖浓度变化的动力学规律及最大催化电流,结果显示 随着葡萄糖浓度的增大，催化电流也变大。
[0076]
4、生物电催化性能特异性检测
[0077]
图10研究了所得adc/ttf/gox生物阳极的选择性和抗干扰性能。0.1v (vs.ag/agcl)工作电位下连续添加葡萄糖、ua、apap、da、葡萄糖于0.5m pbs (ph7.0)中的计时电流响应。由图知，葡萄糖的加入能在adc/ttf/gox生物阳极上明确 检测到氧化电流，干扰物质ua、apap、da(分别为0.2mm的生理水平)的加入并未引起 可检测到的电流信号变化，随后的葡萄糖加入进一步引起明显的氧化电流。以上结果清晰 地表明，所制备的adc/ttf/gox生物阳极对底物葡萄糖具有极高的选择性和抗干扰性能， 因而在实际应用时，无需使用渗透选择性膜就能获得对葡萄糖的高度特异性反应。
[0078]
生物阳极和生物阴极的制备：
[0079]
碳纸由于其优越的导电性，较低的毒性和提供更多运输条件的3d多孔结构而被用作 制备生物阳极和生物阴极的集流体。使用前，将碳纸分别在丙酮和3m hcl中超声处理30 min，以去除有机杂质和氧化物层。剪裁面积为3*3cm2。为了制备生物阳极，将200μl沥 青衍生炭材料adc悬浮液(10mg ml-1
，分散在n,n-二甲基甲酰胺中)和40ul四硫富瓦烯 (ttf)介体溶液(0.02m，溶剂为乙腈)混匀后取225ul浇铸在碳纸的表面上，并在空 气中干燥(表示为沥青基碳纳米复合材料/碳纸)。然后，将113μl gox溶液浇筑在沥青 衍生炭材料adc泡沫表面，并将电极在4℃的冰箱中保存4h(表示为gox/adc/泡沫镍)。 最后，将135μl nafion溶液(5
‰
)滴在gox/adc/碳纸表面上，并将电极在4℃的冰箱 中保存1h表示为(nafion/gox/adc/碳纸)。固定在泡沫镍上的gox量约为1.6mg.cm-2
。 为了制备生物阴极，类似地，将80μl adc/碳纸浮液(5mg ml-1
，分散在去离子水中)浇 铸在碳纸的表面上并在空气中干燥(表示为adc/碳纸)。然后，将100μl bod溶液在adc/ 泡沫镍表面上滑行，并将电极在4℃的冰箱中保存4h(表示为bod/adc/碳纸)。最后， 将80μl nafion溶液(5
‰
)滴在bod/adc/碳纸表面上，并将电极在4℃的冰箱中保存1 h(表示为nafion/bod/adc/碳纸)。固定在碳纸上的bod的量约为2mg.cm-2
。
[0080]
葡萄糖/氧气ebfcs的设计和评估：
[0081]
葡萄糖/o2ebfcs使用nafion/gox/adc/碳纸作为生物阳极，nafion/bod/adc/碳纸作为 生物阴极压在一块水凝胶电解质的两侧来组装的。阴、阳极碳纸后用导电胶使镍导电片将 电流引出，阴极碳纸后叠加一片泡沫网作为气体扩散层，然后阴阳两极用载玻片和燕尾夹 固定，最后阴阳两极依次用导线夹在镍片上，组装成串联电路。且在使用前，将丙烯酰胺 单体(aam，1.422g)和n、n-亚甲基苯(丙烯酰胺)(mba，0.001g)交联剂加入5ml磷 酸盐缓冲溶液(0.5m，ph7.0)中，连续搅拌。将过硫酸钾引发剂(aps，0.257g)加入上 述溶液后，将溶液倒入自制的模具中，放入烘箱中，在50℃下聚合30min，将合成的水凝 胶片浸在含有100mm葡萄糖的磷酸盐缓冲溶液中24h，使葡萄糖渗透到水凝片中。
[0082]
使用chi 660e电化学工作站测试葡萄糖/o
2 ebfcs的开路电势(ocp)和极化曲线 (lsv)。
[0083]
葡萄糖/o2ebfcs的性能：可以通过直接生物电催化反应在gox/adc/gce上成功实
现葡 萄糖的氧化，从而有望提高ebfcs的ocp。另外，在abts存在下，固定在沥青衍生炭材料 上的bod表现出优异的o2还原性能。这些优点使沥青衍生炭材料成为构建高性能葡萄糖 /o
2 ebfcs所需要的。因此，将gox/adc/碳纸生物阳极和bod/adc/碳纸生物阴极压在一块 水凝胶电解质的两侧，组装葡萄糖/o
2 ebfcs，如图11所示。静置1h后，单个葡萄糖/o
2 ebfcs的ocp可以高达0.63v。4个串联的葡萄糖/o
2 ebfcs能够为黄色led灯供电。单个 葡萄糖/o
2 ebfcs在0.29v时的最大功率密度为0.18mw cm-2
，高于以前报道的大多数葡萄 糖/o
2 ebfcs。相比之下，在没有酶的情况下由adc/碳纸电极构成的燃料电池的性能可忽略 不计，表明电池能量来自酶催化。
[0084]
综上，本发明合成了一种新型的炭材料，该材料是沥青经k2feo4催化热解形成的沥青 基炭纳米复合材料，并表征为电极材料，用于固定gox和bod来构建葡萄糖/o
2 ebfcs。沥 青衍生炭材料可以促进电子从酶的活性中心转移到电极表面。最重要的是，粗糙的表面和 多孔的纳米结构赋予沥青衍生炭材料优异的酶捕获功能，酶既可以吸附在材料表面，又可 以封装在材料的孔内。因此，组装后的ebfcs表现出高达0.63v的高ocp，在0.29v时输 出的最大功率密度为0.18mw cm-2
，因此沥青衍生炭材料是捕获其他生物催化剂以用于广泛 的生物技术应用的有前途的候选者。
[0085]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发 明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。