基于金属纳米线阵列的新型生物燃料电池研究

本项目首次提出利用导电性金属纳米阵列研制酶生物燃料电池。纳米材料的表面效应和良好的生物相容性，有利于提高生物催化剂酶的吸附能力，并能提高反应的速度；纳米结构有利于改善酶的氧化还原中心与电极之间电子的传递，用于研究酶与电极之间的直接电子转移反应；纳米材料的介入及其不同于块体材料的特性，应用于生物燃料电池的研究，在改善电极结构的同时，可提高催化剂的效率和电池的输出功率。本课题组利用氧化铝模板技术成功制备了Pd及Pd/Pt纳米线阵列，并应用于对有机小分子乙醇、甲醇、异丙醇的电化学催化氧化研究，发现Pd及Pd/Pt纳米线阵列对这些小分子具有很高的催化活性。本项目拟在此基础上，深入开展金属及合金纳米线的催化活性研究，并应用于生物燃料电池的制备研究，探索制备生物燃料电池的新方法，开发出具有高效输出功率的新型生物燃料电池。由于它是一种可再生的洁净能源，其所带来的商业价值和环保价值令人期待。

利用氧化铝模板技术成功制备了直径统一，排列有序及长度可控的钯（Pd）及合金纳米线阵列；基于Pd纳米线阵列构建了一种响应快速、灵敏度高的甲醛传感器，在2 µM～1 mM范围内，响应电流与浓度有很好的线性关系，相关系数为0.9982，检测限是0.5 µM (S/N=3)；同时，以Pd纳米线阵列为基底负载纳米金颗粒，用溶胶-凝胶法固定葡萄糖氧化酶于其表面，制备了响应快速、灵敏度高的葡萄糖传感器。实验表明，该传感器对葡萄糖的线性响应范围为5.0×10-5～5.0×10-3，线性相关系数为0.9964，检出限为1.0×10-6mol/L，达到95％稳态电流所用的时间约5 s。分别研究了不同钯合金（Pd-Au，Pd-Ni）纳米线电极对乙醇的电催化活性，结果表明，与Pd纳米线相比，钯合金纳米线对乙醇具有更好的催化活性，展示了两种金属纳米线电催化性能的协同作用；通过自组装技术，用银纳米线固定辣根过氧化酶（HRP），成功制备了HRP/Ag NWs/GCE修饰电极，辣根过氧化酶在电极表面实现了直接电化学。该电极制作简单，用于测定过氧化氢，无需加入任何电子媒介；将Pd纳米线负载Au纳米颗粒复合纳米材料修饰电极负载葡萄糖氧化酶(GOx)作为电池的阳极，Ag纳米线负载辣根过氧化物酶（HRP）作为电池的阴极，组装了一个简易的酶生物燃料电池。结果表明，修饰阴阳极酶生物燃料电池功率密度高于未修饰的电极，表明两种修饰电极均有助于酶与电极间的电子传递。