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酶生物燃料电池(EBFC)是通过酶的直接或者间接催化作用,将生物体内可降解的有机物能量转化为电能的新一代绿色发电装置。它与传统的燃料电池相比,具有如下优点:能源转化率高、生物相容性好、燃料来源广泛、安全绿色无污染,因此备受广大科学研究者的关注。目前影响EBFC电池性能的主要原因集中在酶的有效固定量以及电子传递速率上。合适的固定基质可以提高酶的固定量和酶与电极之间的电子传递速率。碳材料导电性好、物理化学性质稳定、比表面积大,是EBFC中酶固定的良好载体。本论文探索了几种碳纳米材料的合成方法以及它们在EBFC构筑中的应用,主要研究内容如下:1.以市售藕粉为模板,通过水热反应,制备了碳纳米球,利用扫描电镜和透射电镜对其进行表征。实验结果表明所制得的碳纳米球颗粒大小均一,分散性好。将其用作葡萄糖氧化酶(GOX)和胆红素氧化酶(BOD)的固定材料,亚甲蓝(MB)作为电子媒介体,制备了 Nafion/C/GOX/MB/GCE,Nafion/C/BOD/MB/GCE 生物阳极和生物阴极,构建了无隔膜生物燃料电池。MB作为媒介体能够在酶和电极之间有效传递电子。分析研究了 EBFC两极的催化反应机理,探讨了影响EBFC性能的因素。所构建的EBFC以葡萄糖为燃料,获得的开路电压为0.64 V,在0.35 V时,EBFC的功率输出密度达到最大,为 6.3 μW·cm-2。2.鉴于以藕粉为模板获得的碳纳米球比表面积较小,探寻了一种比表面积更大的中空碳球制备方法,并将其应用于EBFC构建中。将间苯二酚、甲醛和正硅酸乙酯溶于醇水混合溶液,通过氨水催化聚合形成间苯二酚-二氧化硅纳米复合微球。将微球放进管式炉中碳化,利用氢氧化钠溶液刻蚀除去二氧化硅后得到粒径均匀的中空碳纳米微球。通过原位还原法将金纳米颗粒掺杂到中空碳球中,形成了金纳米颗粒-中空碳球复合材料(gold nanopaericles-hollow carbon sphere,AuNPs-HCSs),利用金纳米颗粒提高了该材料的导电性能。将其用作GOX和BOD的固定材料,MB作为电子媒介体,制备了 Nafion/AuNPs-HCSs/GOX/MB/GCE,Nafion/AuNPs-HCSs/BOD/MB/GCE 生物阳极和生物阴极,构建了无隔膜生物燃料电池。所构建的EBFC以葡萄糖为燃料,获得的开路电压为0.63 V,在0.35 V时,EBFC功率输出密度达到最大,为22.1 μW·cm-2。较以藕粉为模板制备的碳球为固定基质制备的EBFC相比,功率有了明显的提升,证明中空掺金碳球复合材料可以有效改善EBFC的性能。3.三维(3D)石墨烯基材料比表面积大,孔隙结构发达,导电导热性好,负载量高,是构建EBFC的良好材料。本部分工作我们研究了具有多孔结构的三维自支撑石墨烯在EBFC构建研究中的应用。以石墨氧化物为原料,硫脲为掺杂剂,柠檬酸钠为还原剂,水热法还原后冷冻干燥,制备了三维多孔石墨烯,利用其负载酶,构建了葡萄糖/O2酶生物燃料电池。利用扫描电镜、透射电镜、电化学方法等对材料的三维结构进行了表征。以葡萄糖为燃料,研究了所构建的EBFC的电池性能,获得的开路电压为0.55 V,在0.45 V时,EBFC功率输出密度达到最大,为30.0 μW·cm-2。与基于中空掺金碳球复合材料构建得到的EBFC相比,该材料无需掺杂金纳米颗粒,降低了材料成本,同时功率输出有所提高,证明多孔石墨烯是一种有效的用于EBFC构建的碳纳米材料。