摘 要

酶生物燃料电池是一种新型的绿色能源装置，它利用酶催化代替传统的化学催化。目前对它的研究还处于开发阶段，为解决寿命短、输出功率低、不稳定等问题，我们需从电极材料入手，制备出性能良好的载体材料。

本论文所制备的柔性三维纳米生物电极主要以石墨烯为基础材料，与短羧基化多壁碳纳米管均匀混合进行水热反应，最终得到三维石墨烯-多壁碳纳米管的复合材料。通过SEM、XRD等测试方法对其形貌和结构进行表征，并进行电化学测试评估其电化学性能。最后将该复合材料与柔性基底结合，固载酶，制备出柔性三维纳米生物电极。

研究结果表明：固载酶和复合材料的玻碳电极表面可发生直接的近乎可逆的氧化还原反应。制备出的柔性纳米生物电极具有良好的柔韧性，且电极没有明显开裂。

本文的特色：两种碳材料之间产生协同作用，提高了材料的性能。设计制备出柔性三维纳米生物电极，为后续研究工作奠定了基础。

关键词：三维石墨烯-多壁碳纳米管复合材料；纳米生物电极；柔性

Abstract

Enzymatic biofuel cell is a new type of green energy conversiondevice, which uses enzymes instead of the traditional chemical catalysis. At present, itis currently in research phase with some obstacles, such as short life, low output power, instability and other problems.In order to solve these problems, we need to focus on designing electrode materialswith good performances.

The three-dimensional nano-bioelectrode fabricated in this thesis is mainlycomposed of graphene and MWCNTs viahydrothermal method, and finally the composites of 3D graphene-MWCNTs areobtained. The morphology and structure were characterized by SEM,XRD and other test methods.And the electrochemical performance was evaluated by electrochemical test. Finally, thecomposite material was combined with a flexible substrate, and the enzyme was loadedto prepare a flexible three-dimensional nanobioelectrode.

The results show that glucose oxidaseimmobilized in the composite material on the surface of glassy carbon electrode can occur qusi-reversible redox reaction. The prepared flexible nano-bioelectrode has good flexibility. After external forces, the nano-bioelectrode can recover quickly without craze.

The characteristic of this paper is that the synergy between the two carbon materials to improve the performance of the material. A flexible three-dimensional nanobioelectrode was designed and fabricated, which laid the foundation for the following research work.

Key Words：Three-dimensional grapheme-multi-walled carbon nanotube composites；Nano-bioelectrode；Flexibility

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2酶生物燃料电池的概述 1

1.2.1 酶生物燃料电池的分类 2

1.2.2 酶生物燃料电池的用途 2

1.2.3 酶生物燃料电池的国内外发展 3

1.2.4 酶生物燃料电池的发展瓶颈和展望 5

1.3 酶生物燃料电池的酶催化剂及其固定方法 6

1.3.1 酶催化剂——葡萄糖氧化酶的简介 6

1.3.2酶的固定方法 7

1.4 酶生物燃料电池的载体材料 8

1.4.1 碳纳米管 8

1.4.2 石墨烯 9

1.5本论文的选题和意义 9

1.6 本论文的主要研究内容 10

第2章 复合材料的制备与表征 11

2.1 引言 11

2.2实验主要试剂及设备仪器 11

2.3材料的制备 12

2.3.1 氧化石墨烯的制备 12

2.3.2三维石墨烯-多壁碳纳米管复合材料的制备 13

2.4 材料的结构表征及结果讨论 14

2.4.1 氧化石墨烯的扫描电镜表征 14

2.4.2 氧化石墨烯的原子力显微镜表征 15

2.4.3 三维石墨烯-碳纳米管复合材料的扫描电镜表征 15

2.4.4 石墨、氧化石墨、碳纳米管、三维石墨烯-碳纳米管复合材料的X射线衍射表征 17

2.5 本章小结 18

第3章 电化学分析及柔性电极制备 19

3.1 引言 19

3.2 电化学测试主要试剂和设备仪器 19

3.3 溶液的配置 20

3.4 电化学测试及分析 21

3.4.1 玻碳电极的预处理 21

3.4.2工作电极的制备 22

3.4.3 葡萄糖氧化酶在修饰电极上的电化学研究 22

3.4.4Nafion/GOD-G-MWCNTs/GC电极的电催化研究 28

3.4.5Nafion/GOD-G-MWCNTs/GC电极的稳定性研究 30

3.5 柔性三维纳米生物电极的制备 32

3.6本章小结 32

第4章 结论与展望 34

4.1 结论 34

4.2 展望 34

参考文献 36

第1章 绪论

1.1 引言

能源是经济发展的基础，21世纪以来，各国在经济发展的同时快速消耗不可再生的化石能源。然而，随着人类对自然界能源资源的改造和利用程度不断扩大，开发利用的不合理和无节制，造成了地球上的煤、石油、天然气等传统化石燃料日趋枯竭，严重威胁了生态平衡，且伴随着温室效应、环境污染等问题危害人类的健康。这一系列问题的出现，引起各国的关注，也促使科研人员积极寻找众多可持续、清洁无污染的替代能源或能源转换装置。近年来，将燃料中储存的化学能转变为电能输出利用，并有希望设计成可植入式器件的酶生物燃料电池逐渐受到了人们的关注。现今日常生产和生活中能够看到并广泛使用的普通干电池、纽扣电池都具有易燃、易爆的危险性，废旧电池的处理方法复杂，且随意丢弃又导致严重的环境和水污染。例如：一节普通的一号锌锰干电池可使一平方米土地失去利用价值。

酶生物燃料电池与传统的化学电池相比，在许多方面都具有较大优势。具体表现如下：（1）原料为可再生能源。酶生物燃料电池的原料为葡萄糖、淀粉等有机物，自然界中存在广泛，取之不尽用之不竭；（2）理论上转换效率较高。这是由于燃料电池不经热能或机械能可直接将化学能转变为电能，减少中间环节对电能的损耗；（3）反应条件温和，安全性强，维修成本低。因为其工作条件一般是常温、常压且pH值约为7；（4）具有良好的生物相容性。由于酶生物燃料电池可直接利用血液中的溶解氧和葡萄糖作为反应物，因此可作为微型电源为人造器官提供电能，或是为药物靶向治疗提供动力等等^[1,2]。综上所述，酶生物燃料电池具有很好的应用前景且应用广泛。

1.2酶生物燃料电池的概述