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漆酶电极的制备及其催化氧还原性能研究

曾涵  
【摘要】:酶燃料电池是以与生命活动密切相关的某些有机物为燃料,以氧气作为氧化剂,以酶作为生物电催化剂直接将化学能转换为电能的装置。酶燃料电池由于结构相对简单,针对特异底物催化效率高、选择性好,有望成为能在与生理环境接近的温和条件下工作的新型清洁能源装置。另外,基于酶基燃料电池工作原理的生物传感器也是生化分析的有效工具。构建能有效实现酶的活性中心与导电载体之间电导通的酶电极是实现这类装置产业化的关键。同时,开展相关底物在酶电极上催化反应的系统研究,一方而将为优化这类装置的性能,提高其能量效率提供有益指导。另一方而,还将为理解这些底物在相应生命过程中的有关规律以及生理现象与电化学信号之间的关联提供非常重要的信息。 漆酶因其活性位的式电位相对较高,接近于氧还原的平衡电位,而且对氧分子的还原具有很好的催化作用,因此是酶基生物燃料电池首选的阴极生物电催化剂。但迄今为止,文献报道的漆酶基电极,还需要在较苛刻的条件下才能实现漆酶活性中心与电极的有效导通,而且其催化氧还原的超电势仍然相对较高,电极输出电流密度较低,这些局限一直是制约酶基燃料电池性能的瓶颈之一。针对上述问题,本论文在构筑能有效实现漆酶活性中心与导电载体之间的电导通的漆酶电极方面做了一系列的尝试,并系统考察了这类电极催化氧还原的活性、电极的隐定性与固定漆酶的载体的结构、形貌及其组合方式的关系。论文的主要内容以及所得到的主要结论小结如下: LABIS中介的漆酶催化氧还原:首先利用旋转圆盘电极技术结合电化学循环伏安法研究了扩散型电子中介体ABTS在玻碳电极表面的电极反应动力学。得到了ABTS在溶液扩散系数及其在电极表面反应的有关动力学参数。在此基础上,考察了ABTS中介的溶液中的游离漆酶以及在电极上固定的漆酶上的催化氧气还原动力学行为。发现在这类电极反应中,氧还原起始电位受制于ABTS氧化还原态的式电位,而反应电流主要由ABTS以及氧气向漆酶的扩散速度决定,相对来说,电极反应与漆酶催化的化学反应都较快。 2.多壁碳纳米管-聚芳酰胺复合物固定漆酶修饰电极的直接电化学及其催化氧还原性能:使用具有共轭芳环的聚芳酰胺作为分子导线,以其修饰多壁碳纳米管为复合载体,构筑了漆酶修饰电极,成功实现了酶-电极之间的直接电子迁移,能实现电导通的酶占总固定漆酶总量67%以上。该酶电极对氧还原起始电势约为0.55V,半波电势为425mV,半波电流密度为75.3μA cm-2。推测其超电势与半波电流较小很可能是由于电极表面的固酶复合物的孔道分布和表面结构不利于O2分子的传质以及固定漆酶催化活力不够高等因素共同作用的结果。研究表明该固酶电极作为氧传感器对氧具有良好的传感性能:对氧的检测下限可达0.57μmolL-1,灵敏度高达74.22μA L mmol-1,固定漆酶对氧气的米氏常数为55.8μmol L-1。 3.介孔碳氮-壳聚糖或其衍生物复合物固定漆酶电极的直接电化学及其催化氧还原性能:以介孔碳氮材料与壳聚糖或是O-羧甲基化壳聚糖复合物为载体,有效构筑了能实现漆酶活性中心T,位与导电基体之间电荷转移的漆酶电极。该漆酶电极对氧还原有着很好的催化作用:氧还原起始电位高达860mV半波电流约为170μAcm-2。与用壳聚糖为成膜剂的电极相比,O-羧甲基化壳聚糖与介孔碳氮材料复合物固酶电极的催化性能相当,而力学稳定性明显增强,对氧还原的催化活力都具有良好的重现性和长期稳定性。当电极中漆酶的担载量为1.1×10-10。mol cm-2时,在半波电流密度(170μAcm-2),对应的半波电位E1/2=0.7V时,单个漆酶分子上的氧还原速率为4.0反应分子·漆酶分子-1·s-1,高于Pt(111)电极在0.1MHClO4溶液中半波电位为0.93V时对氧气分子的平均转化频率TOF=0.52反应分子铂原子-1·s-1)。


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