基于生物燃料电池的自供能生物传感器研究
发布时间:2021-11-09 00:34
酶生物燃料电池(EBFCs)可以将燃料中的化学能或生物化学能转化为电能,因而备受关注。EBFC以生物质为燃料,工作条件温和,可作为绿色生物能源,也可作为植入型医疗、自供能传感设备的能源供给。而基于生物燃料电池的自供能生物传感器综合了生物燃料电池自我供能的特点和传统生物传感器对目标分析物选择性检测的特性,近年来受到广泛关注。本论文主要着眼于研究基于生物燃料电池的自供能传感器的新应用。主要内容如下:1、氮掺杂空心碳纳米球用于高能量密度生物燃料电池的构建及microRNA-21自供能检测酶生物燃料电池(EBFCs)被认为是解决能源需求的一种有潜力的方法。同时其作为绿色生物能源,可作为可植入型医疗、自供能传感设备的能源供给,高性能酶生物燃料电池的开发迫在眉睫。而寻找优异的电极材料是提高EBFC功率输出的关键。本工作通过微波辅助水热法,一步合成了电化学活性优异的氮掺杂空心碳纳米球(pNHCSs),进一步复合金纳米粒子(AuNP),以pNHCSs/AuNP为电极基底材料,构建的GOD/BOD EBFC的最大输出功率达到了 225±0.9μW cm-2;基于此高性能EBFC,我们设计了新型自供能传感...
【文章来源】:南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】:81 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
图1-2.?—种植入血管的EBFC示意图(设想):通过阳极葡萄糖氧化和阴极氧气还原作用获取电能
_??¥南京大学硕士学位论文?第一章??\?blood?I??><^\vessei?^??I?|?—cathode??s\ ̄??blood?flow??图1-2.?—种植入血管的EBFC示意图(设想):通过阳极葡萄糖氧化和阴极氧气还原作用获取电能。??Fig.?1-2.?Schematic?futuristic?vision?of?an?enzyme-based?biofuel?cell?implanted?in?a?blood?vessel?for??extracting?electrical?power?by?glucose?oxidation?on?an?anode?and?oxygenreduction?on?a?cathode^4^.??1.2.1酶生物燃料电池的性能特征??生物燃料电池的性能可以通过其开路电压,最大输出功率,输出电流等来表征。如??图l-3a是阴阳两极分别用LSV测定的极化曲线,可以分别知道阳极氧化和阴极还原的??起始电位,两极欧姆降的影响和理论开路电位(OCV)。图l-3b是组装成电池后的极化??曲线,其中在低电流密度下,电压迅速下降,这部分电压用于驱动发生氧化反应或还原??反应的电子转移,取决于电池过电压和电子转移动力学。之后电压缓慢下降,这部分为??欧姆损失部分,是由离子和质子通过溶液,电子流经电路产生的,受材料、界面和整体??阻抗的影响。而后在高电流密度下为传质损失,电池因为燃料和氧化剂输送不足而限制??了反应速率。图l-3c为电池输出功率图,其最大值代表生物燃料电池的最大功率,可??以得到在什么电位下达到最大输出功率。??(a)?(b)?(c)????outpu
ffl??¥南京大学硕士学位论文?第一章??_輕:|?%??V^ysiLr?%?-?w???sr?魚??Cellutos??!?CNT-^nzyme??fUm?insulating?p^m??扭m??图1-4.葡萄糖生物燃料电池的设计示意图和生物阳极截面的SEM图。??Fig.?1-4.?Schematic?presentation?of?die?setup?of?a?GBFC?and?SEM?micrograph?of?a?cross-section?of?the??bioanode[42】.??Cosnier等Ml通过力学压缩,压缩酶和多壁碳纳米管混合物,构建了无媒介体的葡??萄糖生物燃料电池(图1-4)。通过液压机压缩后,葡萄糖氧化酶和漆酶被固定在碳管模??板中,缩短了纳米管和酶活性位点间的距离,提高了电子传递速率,实现了碳管和酶活??性中心的直接电子传输,使得DET性能提高。通过性能测试发现此燃料电池功率输出??达到了?1.25?mWcnT2,开路电压(OCV)达到了?0.95?V。之后该组还尝试了通过机械压??缩在CNTs/GOD生物阳极中加入媒介体(萘醌)[43】,构建了有电子中介体的生物燃料??电池,此电池中直接电子传输和间接电子传输共同作用,输出功率达到了?1.54?mW?cm-2。??可见简单的通过机械压缩缩短酶与电极间距离就大幅增加了性能。??也有很多工作利用碳纳米管与其他材料复合来用作EBFC基底材料。如Peter?Tseng??等[44]基于碳纳米管,复合丝素蛋白,成功构建了柔性生物燃料电池电极(图1-5)。丝??素蛋白可以有效提高材料力学性质,坚固纳米空间结构,提高材料化学稳定性,而且生?
本文编号:3484299
【文章来源】:南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】:81 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
图1-2.?—种植入血管的EBFC示意图(设想):通过阳极葡萄糖氧化和阴极氧气还原作用获取电能
_??¥南京大学硕士学位论文?第一章??\?blood?I??><^\vessei?^??I?|?—cathode??s\ ̄??blood?flow??图1-2.?—种植入血管的EBFC示意图(设想):通过阳极葡萄糖氧化和阴极氧气还原作用获取电能。??Fig.?1-2.?Schematic?futuristic?vision?of?an?enzyme-based?biofuel?cell?implanted?in?a?blood?vessel?for??extracting?electrical?power?by?glucose?oxidation?on?an?anode?and?oxygenreduction?on?a?cathode^4^.??1.2.1酶生物燃料电池的性能特征??生物燃料电池的性能可以通过其开路电压,最大输出功率,输出电流等来表征。如??图l-3a是阴阳两极分别用LSV测定的极化曲线,可以分别知道阳极氧化和阴极还原的??起始电位,两极欧姆降的影响和理论开路电位(OCV)。图l-3b是组装成电池后的极化??曲线,其中在低电流密度下,电压迅速下降,这部分电压用于驱动发生氧化反应或还原??反应的电子转移,取决于电池过电压和电子转移动力学。之后电压缓慢下降,这部分为??欧姆损失部分,是由离子和质子通过溶液,电子流经电路产生的,受材料、界面和整体??阻抗的影响。而后在高电流密度下为传质损失,电池因为燃料和氧化剂输送不足而限制??了反应速率。图l-3c为电池输出功率图,其最大值代表生物燃料电池的最大功率,可??以得到在什么电位下达到最大输出功率。??(a)?(b)?(c)????outpu
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本文编号:3484299
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