【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及疏水雙重乳液(也稱為“疏水生物粘結劑”)的制造，該疏水雙重乳液將被整合到生物陰極油墨中以便提供用于疏水生物陰極的陰極油墨制劑、增強氧擴散、在不使用氟化聚合物的情況下避免水淹(flooding)以及使包含疏水雙重乳液的整體生物燃料電池保持生物可降解。在以下描述中，方括號([])中的參考文獻是指文本末尾處的參考文獻列表。
技術介紹
1、生物燃料電池提供了一種有吸引力的方式來為電子設備，特別是為諸如醫療保健、環境監測、生物防御等應用的小型便攜式設備提供環保和可持續的電力。鑒于基于酶的燃料電池可以使用生物流體和環境流出物中豐富的底物(即葡萄糖和氧氣)操作，同時表現出通常優于微生物燃料電池的功率密度，它們為小型可穿戴或可植入設備的擴充或自供電提供了一個有吸引力的提案[1,2,3]。此外，由于紙基設備質量輕、外形小和柔性強允許它們適形于一系列不同的表面，因此提議紙基設備用于這些類型的應用越來越受歡迎。
2、與燃料電池相關的關鍵問題之一在于水管理，其需要在系統水合和陰極水淹之間實現微妙的水平衡方案。
3、一方面，水是隔膜促進質子傳導性所必需的。另一方面，如果過量的水填充催化層(cl)和氣體擴散層(gdl)的孔，則電極反應會出現傳質限制，導致電池電壓迅速下降和電池性能立即劣化。鑒于水由cl內的氧還原反應產生并通過電滲拖曳從陽極輸送到陰極這一事實，陰極設計和操作中適當的水淹防止對于確保燃料電池的高性能和延長壽命是至關重要的。
4、在操作期間，cl和gdl的特性顯著影響燃料電池中水的平衡。sinha
5、盡管已經廣泛研究了gdl在防止水淹中的重要性，但是從未在實驗或數值方面深入研究clin燃料電池水平衡的作用。cl可充當燃料電池中的分水嶺以調節液態水與蒸氣之間的平衡。park等人[5]用數值顯示，cl和gdl中的不同潤濕性可顯著影響液態水流型，從而影響電池的性能。
6、文獻中報道了不同的策略來改變陰極的結構以改善整個電池堆的性能。
7、qiu等人[6]開發了一種具有雙cl的新型陰極結構，該雙cl包含覆蓋有疏水層的親水內層，采用這種雙cl的其mea提高了pt利用率，降低了cl與gdl之間的界面電阻，并且增強了傳質，從而產生了更高性能的mea。wei等人[7]設計了一種具有梯度pt納米線的陰極結構，其提高了pt利用率并促進了傳質，從而獲得了高性能。deshmukh等人[8]制備了一種具有微圖案化電極結構的mea，其通過減輕陰極水淹和促進反應物擴散來提高性能。上述研究側重于cl的結構設計以改善mea性能。提高mea性能和水管理的另一種方法是調節cl或gdl的親水性和疏水性[9]。oh等人[10]在cl中引入聚(偏二氟乙烯-共-六氟丙烯)(p(vdf-co-hfp))共聚物作為粘結劑以增加其疏水性，從而防止水淹。li等人[11]通過將二甲基硅油添加到cl中來增加氧滲透性和疏水性，從而改善氧擴散和水管理，由此增強mea性能。hiramitsu等人[12]設計了一種具有更小孔結構的gdl，使得cl能夠更有效地抵抗水淹。在先前的工作中，chi等人[13]通過向cl中添加聚四氟乙烯(ptfe)來平衡疏水性和親水性，從而改善水管理。
8、就生物燃料電池而言，水管理和氧傳質對于確保最佳性能和延長的壽命也是必需的。陰極的受控疏水性可通過在其組合物中添加疏水粘結劑乳液來實現。
9、此外，生物酶燃料電池由于采用了生物基催化劑，因此具有生物可降解和生物基的可能性。從應用的觀點來看，該環境參數特別重要，并且限制了在它們的組合物中使用的材料的制劑。目前，生物燃料電池領域還沒有使用生物可降解或生物來源的材料作為疏水增強劑。
10、當前，全球農業的發展和與糧食安全相關的問題引發了許多問題，包括需要改進收獲后農產品的保鮮，尤其是新鮮水果和蔬菜的保鮮等等。因此，對各種食品保鮮方法進行了許多研究，以確保運輸過程中的品質。一些研究旨在制作對環境友好且對消費者安全的保護膜，利用當地原材料提高價值，并促進新鮮水果和蔬菜的出口潛力。
11、代替單一或合成聚合物的各種天然聚合物材料，包括多糖(殼聚糖、纖維素、淀粉和它們的衍生物)、蛋白質(明膠和大豆蛋白)和脂質(蜂蠟、小燭樹蠟和巴西棕櫚蠟)，已經用于開發可食用的乳液基涂層[14,15]。殼聚糖是一種天然聚陽離子多糖，因其出色的成膜能力和抗菌活性而被廣泛用作涂層材料[16,17]，但差的柔韌性和延展性極大地限制了其應用。作為殼聚糖的兩性衍生物，羧甲基殼聚糖(ccs)具有改善的水溶性并保留了殼聚糖的其他特性，其已被廣泛應用于食品包裝中[18-20]。然而，大多數衍生自水溶性聚合物的涂層材料都表現出高親水性，這極大地限制了它們在潮濕環境中的應用。脂質化合物，諸如蠟材料(蜂蠟、小燭樹蠟和巴西棕櫚蠟)，具有高的阻水能力；遺憾的是，由純蠟形成的涂膜具有較差的機械強度。可應用多糖(諸如纖維素及其衍生物)來與蠟組分混合形成具有降低的水蒸氣透過性和水溶脹性的膜[21,22]。因此，通過皮克林乳液法制造由ccs、纖維素和蜂蠟組成的可食用涂層以克服由單一組分制成的涂層的缺點具有重大意義。
12、在生物燃料電池中，催化是基于酶促反應。在存在或不存在氧化還原介體的情況下酶的固定化提供了許多優點，諸如改善的電子轉移和長期穩定性。然而，固定化也可影響酶的穩定性和/或活性。固定化酶的穩定性取決于電極結合的性質和強度、固定化條件、受限程度以及操作時電極中發生酶促反應的條件。每種固定化方法都其優點和缺點。因此，必須謹慎選擇固定化過程，以避免酶變性和失去其活性所需的結構自由度。
13、主要的固定化技術是物理吸附、脫輔基酶的重構、包封、共價接枝、通過交聯的固定化、在水凝膠中的固定化。
14、酶固定化和穩定化的一種策略是使用膠束聚合物。溶液中的酶通常有幾小時至幾天的活性。通過包埋在水凝膠中并結合到電極表面，該壽命可延長到7至20天。然而，圣路易斯大學的研究人員已通過將活性酶固定在疏水改性的膠束聚合物內，而將活性酶在電極表面的壽命延長到一年以上[23]。
15、可對膠束聚合物(諸如nafiontm和殼聚糖)進行疏水改性，以調整膠束孔或口袋結構，使其達到酶固定化的最佳尺寸，同時還能確保疏水和緩沖ph的微環境，使酶活性最佳。已表明，在殼聚糖上采用這種策略不僅能延長酶的有效壽命，還能將酶的酶活性提高至多2.5倍[24]。疏水改性的nafiontm膜也可用作電極之間的隔板以確保陰極的疏水環境[25]。然而，考慮到例如其極強的持久性或者與其生產、使用和處置相關的排放，含氟聚合物不是可持續的解決方案[26]。此外，這種疏水改性涉及生產該聚合物的昂貴而漫長的冷凍干燥過程。另外，此類疏水改性使得該聚合物完全疏水并且不允許以受控方式調節這種特性。
16、因此，仍然需要提供一種用于生物燃料電池陰極的生物可降解的疏水組合物，其不具有現有技術的現有技術缺點。...
【技術保護點】
1.陰極油墨制劑，所述陰極油墨制劑包含作為第一乳液的水凝膠生物來源聚合物與作為第二乳液的生物來源疏水蠟的混合物以及生物活性油墨，所述生物活性油墨包含介孔碳、水、至少一種聚合物和多銅酶。
2.根據權利要求1所述的陰極油墨制劑，其中所述陰極油墨制劑包含：
3.根據權利要求1或2所述的陰極油墨制劑，其中所述水凝膠生物來源聚合物的所述聚合物選自由殼聚糖、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚(丙烯酸)組成的組。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的陰極油墨制劑，其中所述生物來源疏水蠟選自由蜂蠟、巴西棕櫚蠟、小燭樹蠟、向日葵蠟、漿果蠟、楊梅果蠟、羊毛脂、鯨蠟醇酯蠟(鯨蠟醇棕櫚酸酯)和其他植物蠟組成的組。
5.根據權利要求4所述的陰極油墨制劑，其中所述生物活性油墨的所述介孔碳選自由碳納米纖維、炭黑和碳納米管組成的組。
6.根據權利要求4所述的陰極油墨制劑，其中所述生物活性油墨的所述至少一種聚合物選自由殼聚糖、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚(丙烯酸)組成的組。
7.根據權利要求4所述的陰極油墨制
8.根據權利要求1至7中任一項所述的陰極油墨制劑，其中所述雙重乳液制劑的第二乳液與第一乳液的比率為70/30至99/1，優選地為98/2。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的陰極油墨制劑，其中所述生物活性油墨占所述制劑總重量的1％至20％，優選15％。
10.疏水生物陰極，所述疏水生物陰極包含根據權利要求1至9中任一項所述的陰極油墨制劑。
11.生物燃料電池，所述生物燃料電池包含根據權利要求10所述的疏水生物陰極。
12.用于制備根據權利要求1至9中任一項所述的陰極油墨制劑的方法，所述方法包括以下步驟：
13.疏水生物粘結劑在生物燃料電池中的用途，所述疏水生物粘結劑包含雙重乳液，其中所述雙重乳液制劑包含作為第一乳液的水凝膠生物來源聚合物和作為第二乳液的生物來源疏水蠟。
...【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】
1.陰極油墨制劑，所述陰極油墨制劑包含作為第一乳液的水凝膠生物來源聚合物與作為第二乳液的生物來源疏水蠟的混合物以及生物活性油墨，所述生物活性油墨包含介孔碳、水、至少一種聚合物和多銅酶。
2.根據權利要求1所述的陰極油墨制劑，其中所述陰極油墨制劑包含：
3.根據權利要求1或2所述的陰極油墨制劑，其中所述水凝膠生物來源聚合物的所述聚合物選自由殼聚糖、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素、羧甲基纖維素、聚(丙烯酸)組成的組。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的陰極油墨制劑，其中所述生物來源疏水蠟選自由蜂蠟、巴西棕櫚蠟、小燭樹蠟、向日葵蠟、漿果蠟、楊梅果蠟、羊毛脂、鯨蠟醇酯蠟(鯨蠟醇棕櫚酸酯)和其他植物蠟組成的組。
5.根據權利要求4所述的陰極油墨制劑，其中所述生物活性油墨的所述介孔碳選自由碳納米纖維、炭黑和碳納米管組成的組。
6.根據權利要求4所述的陰極油墨制劑，其中所述生物活性油墨的所述至少一種聚合物選自由殼聚糖、羥丙基纖維素、羥丙基甲基纖維素...
【專利技術屬性】
技術研發人員：塞巴斯蒂安·索蘭，伊利斯·貝薩克，朱爾斯·哈蒙德，讓弗朗西斯·布洛赫，
申請(專利權)人：貝飛科公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。