生物燃料电池中导电聚合物/纳米材料复合物修饰的酶电极研究

生物燃料电池在医疗、航天、环境治理等领域均有重要的使用价值，自身潜在的优点使人们对它的发展前景看好，但要作为电源应用于实际生产与生活还比较遥远。其主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。生物体系缓慢的电子传递速率和使用寿命是生物燃料电池发展的瓶颈。针对以上现状，本研究工作的重点为探索特殊结构的导电聚合物和纳米材料固定酶。寻找具有电子转移能力出色、负载于电极表面后不明显增加电极阻抗、且具有多孔微结构、特别适用于酶的植入等特点的导电聚合物；寻找具有拥有快速电子传递通道、显示出极好的催化性、并且大大增加电极的比表面积、对植入的酶具有很好的生物相容性、使酶的活性周期增长等特点的纳米材料。将这类新型材料应用于生物燃料电池，实现电子的直接快速传递，从而提高生物燃料电池的功率密度和使用寿命，推进将生物燃料电池应用于生产实际，为开发新能源做出贡献。

本项目按照计划书规划顺利完成研究任务，发表论文9篇。代表性论文（通讯作者）：Anal. Chem.2篇，Chem.Commun.2篇；专利2件。毕业博士生2名，硕士生3名。达到了预期研究目标。主要成果内容：.原位合成了一种亲水性的，带有羧基官能团的石墨烯–金纳米粒子 (AuNPs) 复合物。该复合物中的AuNPs均匀分散于双层石墨烯表面，且其负载量可调控。葡萄糖氧化酶 (GOD) 通过其终端残留赖氨酸的氨基与AuNPs上的羧基发生缩合反应，将GOD键合在复合物表面。该复合物为保持GOD的生物活性提供了合适的微环境，且GOD与电极之间的直接可逆电子传递无需任何支持膜或电子媒介体。可作为生物燃料电池阳极和阴极材料。.基于双层石墨烯模板原位合成了可分散的石墨烯–金点 (AuNCs)复合物，此复合物与其它水溶性AuNCs相比，具有更接近近红外的发射波长，其电致化学发光 (ECL) 信号强于牛血清白蛋白 (BSA) 稳定的AuNCs。.首次在离子液体[bmim][BF4]中用无模板法制备了PEDOT须状纳米线，其须端的最小直径仅为0.5 nm，相当于PEDOT纳米线单分子链尺度，用原子力显微镜直接观察到了该PEDOT单分子链的分子结构轮廓。运用所制备的须状PEDOT纳米线成功地构建了血红蛋白活性中心和电极之间的电子传递桥梁。由于构建了该“桥梁”，使得红蛋白活性中心的利用率和Hb的三级结构稳定性大大增加。.运用所制备的具有亲水性、羧基功能化的石墨烯-金纳米粒子复合物修饰电极阴阳两极，并将葡萄糖与漆酶化学键合在表面，构建生物燃料电池。同时优化条件设计，首次将该类电池的开路电压 (OCP) 提升至理论值1.20 V，最大输出功率密度高达1.96 ± 0.13 mW cm-2，优于文献已报道的最好结果。串联两节生物燃料电池结构单元，能够成功点亮红色与黄色发光二极管 (LED)。.发展了一种微波水热快速制备Mn:ZnSe量子点的方法。制备得到的Mn:ZnSe量子点具有高结晶性和单分散度，通过电子顺磁共振波谱测试证实Mn2+成功地掺入了ZnSe晶体晶格中。根据时间分辨荧光光谱仪测试，Mn:ZnSe量子点其特征发射光谱的荧光寿命达到400μs，比常用硫族镉系量子点的荧光寿命长10000倍。在37℃下用150 w 的氙灯在260 nm波长处连续照射35小时，Mn:ZnSe量子点仍然