固酶氮掺杂碳纳米复合物基燃料电池性能

库里松·哈衣尔别克 赵淑贤 杨阳 曾涵

引用本文: 库里松·哈衣尔别克, 赵淑贤, 杨阳, 曾涵. 固酶氮掺杂碳纳米复合物基燃料电池性能[J]. 物理化学学报, 2015, 31(9): 1715-1726. doi: 10.3866/PKU.WHXB201506231 shu
Citation:  HAYIERBIEK Kulisong, ZHAO Shu-Xian, YANG Yang, ZENG Han. Performance of Nitrogen-Doped Carbon Nanocomposite with Entrapped Enzyme-Based Fuel Cell[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2015, 31(9): 1715-1726. doi: 10.3866/PKU.WHXB201506231 shu

固酶氮掺杂碳纳米复合物基燃料电池性能

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21363024) (21363024)

    新疆师范大学博士科研启动基金(XJNUBS1228) (XJNUBS1228)

    新疆维吾尔自治区2013年度高校科研计划青年教师培育项目(XJEDU2013S29)资助 (XJEDU2013S29)

摘要:

利用掺杂氮介孔材料(NDMPC)和羧甲基壳聚糖(CMCH)机械共混的纳米复合物作为固酶载体, 以滴涂-干燥法分别制备了固定漆酶(Lac)阴极和固定葡萄糖氧化酶阳极, 组装了有Nafion离子交换膜的葡萄糖/O2酶燃料电池. 固定漆酶电极作为燃料电池阴极和氧电化学传感器的性能以结合旋转圆盘电极技术的循环伏安法、线性扫描伏安(LSV)法以及计时电流法进行表征, 同时使用紫外-可见分光光度法和石墨炉原子吸收光谱法研究酶分子在电极表面的构型和估算电极表面载体对酶的担载量. 测试结果表明: 固酶阴极在无电子中介体时可以实现漆酶活性中心T1与导电基体之间的直接电子迁移(表观电子迁移速率为0.013 s-1), 而且具有较小的氧还原超电势(150 mV). 通过进一步定量比较分子内电子传递速率(1000 s-1) 、底物转化速率(0.023 s-1)以及前述酶-导电基体间电子迁移速率, 可以发现此电极催化氧还原循环受制于酶-电极之间的电子迁移过程; 这种电极对氧的传感性能良好: 低检测限(0.04 μmol·dm-3)、高灵敏度(12.1 μA·μmol-1·dm3)和良好的对氧亲和力(KM = 8.2 μmol·dm-3), 这种固酶阴极还具有良好的重现性、长期使用性、热稳定性和pH耐受性. 组装的生物燃料电池的开路电压为0.38 V, 最大能量输出密度为19.2 μW·cm-2, 最佳工作条件下使用3周后输出功率密度仍可保持初始值的60%以上.

English

    1. [1]

      (1) Armstrong, F. A.; Hirst, J. Pro Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 14049. doi: 10.1073/pnas.1103697108

      (1) Armstrong, F. A.; Hirst, J. Pro Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 14049. doi: 10.1073/pnas.1103697108

    2. [2]

      (2) Hussein, L.; Rubenwolf, S.; Von Stetten V.; Urban, G.; Zengerle, R.; Krueger, M.; Kerzenmacher, S. Biosens. Bioelectron. 2011, 26, 4133. doi: 10.1016/j.bios.2011.04.008(2) Hussein, L.; Rubenwolf, S.; Von Stetten V.; Urban, G.; Zengerle, R.; Krueger, M.; Kerzenmacher, S. Biosens. Bioelectron. 2011, 26, 4133. doi: 10.1016/j.bios.2011.04.008

    3. [3]

      (3) Martinez-Ortiz, J.; Flores, R.; Vazquez-Duhalt, R. Biosens. Bioelectron. 2011, 26, 2626. doi: 10.1016/j.bios.2010.11.022(3) Martinez-Ortiz, J.; Flores, R.; Vazquez-Duhalt, R. Biosens. Bioelectron. 2011, 26, 2626. doi: 10.1016/j.bios.2010.11.022

    4. [4]

      (4) Qiao, Y.; Li, C. M. J. Mater. Chem. 2011, 21, 4027. doi: 10.1039/C0JM02871A(4) Qiao, Y.; Li, C. M. J. Mater. Chem. 2011, 21, 4027. doi: 10.1039/C0JM02871A

    5. [5]

      (5) Zayats, M.; Katz, E.; Baron, R.; Willner, I. A. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12400. doi: 10.1021/ja052841h(5) Zayats, M.; Katz, E.; Baron, R.; Willner, I. A. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 12400. doi: 10.1021/ja052841h

    6. [6]

      (6) Liu, Y.; Qu, X. H.; Guo, H. W.; Chen, H. J.; Liu, B. F.; Dong, S. J. Biosens. Bioelectron. 2006, 21, 2195. doi: 10.1016/j.bios.2005.11.014(6) Liu, Y.; Qu, X. H.; Guo, H. W.; Chen, H. J.; Liu, B. F.; Dong, S. J. Biosens. Bioelectron. 2006, 21, 2195. doi: 10.1016/j.bios.2005.11.014

    7. [7]

      (7) Klis, M.; Karbarz, M.; Stojek, Z.; Rogalski, J.; Bilewicz, R. J. Phys. Chem. C. 2009, 113, 6062. doi: 10.1021/jp8094159(7) Klis, M.; Karbarz, M.; Stojek, Z.; Rogalski, J.; Bilewicz, R. J. Phys. Chem. C. 2009, 113, 6062. doi: 10.1021/jp8094159

    8. [8]

      (8) Jensen, U. B.; Lorcher, S.; Vagin, M.; Chevallier, J.; Shipovskov, S.; Koroleva, O.; Besenbacher, F.; Ferapontova, E. Electrochim. Acta 2012, 62, 218. doi: 10.1016/j.electacta.2011.12.026(8) Jensen, U. B.; Lorcher, S.; Vagin, M.; Chevallier, J.; Shipovskov, S.; Koroleva, O.; Besenbacher, F.; Ferapontova, E. Electrochim. Acta 2012, 62, 218. doi: 10.1016/j.electacta.2011.12.026

    9. [9]

      (9) Osman, M. H.; Shah, A. A.; Walsh, F. C. Biosens. Bioelectron. 2011, 26, 3087. doi: 10.1016/j.bios.2011.01.004(9) Osman, M. H.; Shah, A. A.; Walsh, F. C. Biosens. Bioelectron. 2011, 26, 3087. doi: 10.1016/j.bios.2011.01.004

    10. [10]

      (10) Ramasamy, R. P.; Luckarift, H. R.; Ivnitski, D. M.; Atanassov, P. B.; Johnson, G. R. Chem. Commun. 2010, 46, 6045. doi: 10.1039/c0cc00911c(10) Ramasamy, R. P.; Luckarift, H. R.; Ivnitski, D. M.; Atanassov, P. B.; Johnson, G. R. Chem. Commun. 2010, 46, 6045. doi: 10.1039/c0cc00911c

    11. [11]

      (11) Mao, F.; Mano, N.; Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 4951. doi: 10.1021/ja029510e(11) Mao, F.; Mano, N.; Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 4951. doi: 10.1021/ja029510e

    12. [12]

      (12) Barriere, F.; Ferry, Y.; Rochefort, D.; Leech, D. Electrochem. Commun. 2004, 6, 237. doi: 10.1016/j.elecom.2003.12.006(12) Barriere, F.; Ferry, Y.; Rochefort, D.; Leech, D. Electrochem. Commun. 2004, 6, 237. doi: 10.1016/j.elecom.2003.12.006

    13. [13]

      (13) Xian, Y. Z.; Xian, Y.; Zhou, L. H.; Wu, F. H.; Ling, Y.; Jin, L, T. Electrochem. Commun. 2007, 9, 142. doi: 10.1016/j.elecom. 2006.08.049(13) Xian, Y. Z.; Xian, Y.; Zhou, L. H.; Wu, F. H.; Ling, Y.; Jin, L, T. Electrochem. Commun. 2007, 9, 142. doi: 10.1016/j.elecom. 2006.08.049

    14. [14]

      (14) Wei, W.; Li, P. P.; Li, Y.; Cao, X. D.; Liu, S. Q. Electrochem. Commun. 2012, 22, 181. doi: 10.1016/j.elecom.2012.06.021(14) Wei, W.; Li, P. P.; Li, Y.; Cao, X. D.; Liu, S. Q. Electrochem. Commun. 2012, 22, 181. doi: 10.1016/j.elecom.2012.06.021

    15. [15]

      (15) Trohalaki, S.; Pachter, R.; Luckarift, H. R.; Johnson, G. R. Fuel Cells 2012, 12, 656. doi: 10.1002/fuce.v12.4(15) Trohalaki, S.; Pachter, R.; Luckarift, H. R.; Johnson, G. R. Fuel Cells 2012, 12, 656. doi: 10.1002/fuce.v12.4

    16. [16]

      (16) Miyake, T.; Yoshino, S.; Yamada, T.; Hata, K.; Nishizawa, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5129. doi: 10.1021/ja111517e(16) Miyake, T.; Yoshino, S.; Yamada, T.; Hata, K.; Nishizawa, M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5129. doi: 10.1021/ja111517e

    17. [17]

      (17) Zeng, H.; Liao, L. W.; Li, M. F.; Tao, Q.; Kang, J.; Chen, Y. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 3217. [曾涵, 廖铃文, 李明芳, 陶骞, 康婧, 陈艳霞. 物理化学学报, 2010, 26, 3217.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101208(17) Zeng, H.; Liao, L. W.; Li, M. F.; Tao, Q.; Kang, J.; Chen, Y. X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 3217. [曾涵, 廖铃文, 李明芳, 陶骞, 康婧, 陈艳霞. 物理化学学报, 2010, 26, 3217.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20101208

    18. [18]

      (18) Zhu, Y. F.; Kaskel, S.; Shi, J. L.; Wage, T.; Pee, K. H. V. Chem. Mater. 2007, 19, 6408. doi: 10.1021/cm071265g(18) Zhu, Y. F.; Kaskel, S.; Shi, J. L.; Wage, T.; Pee, K. H. V. Chem. Mater. 2007, 19, 6408. doi: 10.1021/cm071265g

    19. [19]

      (19) Pang, H. L.; Liu, J.; Hu, D.; Zhang, X. H.; Chen, J. H. Electrochim. Acta 2010, 55, 6611. doi: 10.1016/j.electacta. 2010.06.013(19) Pang, H. L.; Liu, J.; Hu, D.; Zhang, X. H.; Chen, J. H. Electrochim. Acta 2010, 55, 6611. doi: 10.1016/j.electacta. 2010.06.013

    20. [20]

      (20) Kulisong, H.; Zeng, H. Chin. J. Appl. Chem. 2013, 30, 1194. [库里松•哈衣尔别克, 曾涵. 应用化学, 2013, 30, 1194.](20) Kulisong, H.; Zeng, H. Chin. J. Appl. Chem. 2013, 30, 1194. [库里松•哈衣尔别克, 曾涵. 应用化学, 2013, 30, 1194.]

    21. [21]

      (21) Vinu, A. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 816.(21) Vinu, A. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 816.

    22. [22]

      (22) Qiu, H. J.; Xu, C. X.; Huang, X. R.; Ding, Y.; Qu, Y. B.; Gao, P. J. J. Phys. Chem. C. 2008, 112, 14781. doi: 10.1021/jp805600k(22) Qiu, H. J.; Xu, C. X.; Huang, X. R.; Ding, Y.; Qu, Y. B.; Gao, P. J. J. Phys. Chem. C. 2008, 112, 14781. doi: 10.1021/jp805600k

    23. [23]

      (23) Zhao, H. Y.; Zhou, H. M.; Zhang, J. X.; Zheng, W.; Zheng, Y. F. Biosens. Bioelectron. 2009, 25, 463. doi: 10.1016/j.bios. 2009.08.005(23) Zhao, H. Y.; Zhou, H. M.; Zhang, J. X.; Zheng, W.; Zheng, Y. F. Biosens. Bioelectron. 2009, 25, 463. doi: 10.1016/j.bios. 2009.08.005

    24. [24]

      (24) Santucci, R.; Ferri, T.; Morpur , L.; Savini, I.; Avigliano, L. Biochem. J. 1998, 332, 611.(24) Santucci, R.; Ferri, T.; Morpur , L.; Savini, I.; Avigliano, L. Biochem. J. 1998, 332, 611.

    25. [25]

      (25) Zheng, H.; Hu, J. B.; Li, Q. L. Acta Chim. Sin. 2006, 64, 806. [郑华, 胡劲波, 李启隆. 化学学报, 2006, 64, 806.](25) Zheng, H.; Hu, J. B.; Li, Q. L. Acta Chim. Sin. 2006, 64, 806. [郑华, 胡劲波, 李启隆. 化学学报, 2006, 64, 806.]

    26. [26]

      (26) Freguia, S.; Virdis, B.; Harnisch, F.; Keller, J. Electrochim. Acta 2012, 82, 165. doi: 10.1016/j.electacta.2012.03.014(26) Freguia, S.; Virdis, B.; Harnisch, F.; Keller, J. Electrochim. Acta 2012, 82, 165. doi: 10.1016/j.electacta.2012.03.014

    27. [27]

      (27) Cracknell, J. A.; Vincent, K. A.; Armstrong, F. A. Chem. Rev. 2008, 108, 2439. doi: 10.1021/cr0680639(27) Cracknell, J. A.; Vincent, K. A.; Armstrong, F. A. Chem. Rev. 2008, 108, 2439. doi: 10.1021/cr0680639

    28. [28]

      (28) Stolarczyk, K.; Lyp, D.; Zelechowska, K.; Biernat, J. F.; Rogalski, J.; Bilewicz, R. Electrochim. Acta 2012, 79, 74. doi: 10.1016/j.electacta.2012.06.050(28) Stolarczyk, K.; Lyp, D.; Zelechowska, K.; Biernat, J. F.; Rogalski, J.; Bilewicz, R. Electrochim. Acta 2012, 79, 74. doi: 10.1016/j.electacta.2012.06.050

    29. [29]

      (29) Wang, X. J.; Latonen, R. M.; Sjoberg-Eerola, P.; Eriksson, J. E.; Bobacka, J.; Boer, H.; Bergelin, M. J. Phys. Chem. C 2011, 111, 5919.(29) Wang, X. J.; Latonen, R. M.; Sjoberg-Eerola, P.; Eriksson, J. E.; Bobacka, J.; Boer, H.; Bergelin, M. J. Phys. Chem. C 2011, 111, 5919.

    30. [30]

      (30) Zhang, L. L.; Bai, L.; Xu, M.; Han, L.; Dong, S. J. Nano Ener. 2015, 11, 48. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.10.020(30) Zhang, L. L.; Bai, L.; Xu, M.; Han, L.; Dong, S. J. Nano Ener. 2015, 11, 48. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.10.020

    31. [31]

      (31) Tsujimura, S.; Kamitaka, Y.; Kano, K. Fuel Cells 2007, 7, 463.(31) Tsujimura, S.; Kamitaka, Y.; Kano, K. Fuel Cells 2007, 7, 463.

    32. [32]

      (32) Soukharev, V.; Mano, N.; Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8368. doi: 10.1021/ja0475510(32) Soukharev, V.; Mano, N.; Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 8368. doi: 10.1021/ja0475510

    33. [33]

      (33) Mano, N.; Kim, H. H.; Zhang, Y. C.; Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6480. doi: 10.1021/ja025874v(33) Mano, N.; Kim, H. H.; Zhang, Y. C.; Heller, A. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 6480. doi: 10.1021/ja025874v

    34. [34]

      (34) Jiang, D. S.; Long, S. Y.; Huang, J.; Xiao, H. Y.; Zhou, J. Y. Bio. Eng. J. 2005, 25, 15. doi: 10.1016/j.bej.2005.03.007(34) Jiang, D. S.; Long, S. Y.; Huang, J.; Xiao, H. Y.; Zhou, J. Y. Bio. Eng. J. 2005, 25, 15. doi: 10.1016/j.bej.2005.03.007

    35. [35]

      (35) Masson, J. F.; Kranz, C.; Mizaikoff, B. Anal. Chem. 2007, 79, 8531. doi: 10.1021/ac071090u(35) Masson, J. F.; Kranz, C.; Mizaikoff, B. Anal. Chem. 2007, 79, 8531. doi: 10.1021/ac071090u

    36. [36]

      (36) Liu, Y.; Wang, M. K.; Zhao, F.; Xu, Z. A.; Dong, S. J. Biosens. Bioelectron. 2005, 21, 984. doi: 10.1016/j.bios.2005.03.003(36) Liu, Y.; Wang, M. K.; Zhao, F.; Xu, Z. A.; Dong, S. J. Biosens. Bioelectron. 2005, 21, 984. doi: 10.1016/j.bios.2005.03.003

    37. [37]

      (37) Ikeda, T. Electrochim. Acta 2012, 82, 158. doi: 10.1016/j.electacta.2012.01.114(37) Ikeda, T. Electrochim. Acta 2012, 82, 158. doi: 10.1016/j.electacta.2012.01.114

    38. [38]

      (38) Zheng, W.; Zhao, H. Y.; Zhang, J. X.; Zhou, H. M.; Xu, X. X.; Zheng, Y. F.; Wang, Y. B.; Cheng, Y.; Jang, B. Z. Electrochem. Commun. 2010, 12, 869. doi: 10.1016/j.elecom.2010.04.006(38) Zheng, W.; Zhao, H. Y.; Zhang, J. X.; Zhou, H. M.; Xu, X. X.; Zheng, Y. F.; Wang, Y. B.; Cheng, Y.; Jang, B. Z. Electrochem. Commun. 2010, 12, 869. doi: 10.1016/j.elecom.2010.04.006

    39. [39]

      (39) Katz, E.; Willner, I.; Kotlyar, A. B. J. Electroanal. Chem. 1999, 479, 64. doi: 10.1016/S0022-0728(99)00425-8(39) Katz, E.; Willner, I.; Kotlyar, A. B. J. Electroanal. Chem. 1999, 479, 64. doi: 10.1016/S0022-0728(99)00425-8

    40. [40]

      (40) Li, X.; Zhang, L.; Su, L.; Ohsaka, T.; Mao, L. Fuel Cells 2019, 9, 85. doi: 10.1002/fuce.v9:1(40) Li, X.; Zhang, L.; Su, L.; Ohsaka, T.; Mao, L. Fuel Cells 2019, 9, 85. doi: 10.1002/fuce.v9:1

    41. [41]

      (41) Ammam, M.; Fransaer, J. Biotechnol. Bioeng. 2012, 109, 1601. doi: 10.1002/bit.v109.7

      (41) Ammam, M.; Fransaer, J. Biotechnol. Bioeng. 2012, 109, 1601. doi: 10.1002/bit.v109.7

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  269
  • 文章访问数:  976
  • HTML全文浏览量:  35
文章相关
  • 发布日期:  2015-09-06
  • 收稿日期:  2015-03-31
  • 网络出版日期:  2015-06-23
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章