由于π-π堆積導(dǎo)致的還原氧化石墨烯(RGO)聚集是石墨烯基電化學(xué)中反復(fù)出現(xiàn)的問(wèn)題，它會(huì)降低有效工作面積，從而影響還原氧化石墨烯電極的性能。將RGO通過(guò)部分聚合分散在三維碳紙電極上，是一種克服這個(gè)問(wèn)題的策略。在本報(bào)告中，我們報(bào)道了帶負(fù)電荷的4-氨基苯甲酸(4-ABA)接枝到石墨烯功能化的碳紙電極表面。4-ABA的功能化可以分開RGO層，同時(shí)導(dǎo)致藍(lán)色多銅的Myrothecium verrucaria來(lái)源的膽紅素氧化的定向固定，使膽紅素氧化酶(MvBOD)在中性pH下的二氧還原反應(yīng)(ORR)中有利于直接電子轉(zhuǎn)移(DET)。通過(guò)施加交變陰極和陽(yáng)極電化學(xué)電勢(shì)脈沖，同時(shí)電還原氧化石墨烯至還原氧化石墨烯，并實(shí)現(xiàn)4-ABA的共價(jià)附著，從而在靜態(tài)條件下獲得高催化電流密度（Δj
cat:193 ± 4 μA cm
−2）。電化學(xué)接枝的4-ABA不僅會(huì)導(dǎo)致BOD的良好取向（如通過(guò)將動(dòng)力學(xué)模型擬合到電催化數(shù)據(jù)所驗(yàn)證的那樣），而且還起到減輕RGO聚集的作用（如掃描電子顯微鏡所揭示），這很可能是由于4-ABA接枝的石墨烯層之間的靜電排斥。該生物電極的半衰期為55小時(shí)，對(duì)于迄今為止報(bào)道的DET型基于MvBOD的生物電極也顯示出最高的操作穩(wěn)定性。 最終證明該生物電極可以作為無(wú)膜葡萄糖/ O
2酶促生物燃料電池的生物陰極，具有最大的功率密度為22μWcm
-2和0.51 V的開路電壓。
Figure 1. GO (a、d、g)，RGO-A (b、e、h) 以及RGO (c、f、i) 納米材料的SEM, AFM 圖和XPS 圖譜。
Figure 2. （a）CPG/GO、RGO-A以及GO-A電極的EIS阻抗圖，電極在含5 mM 鐵氰化鉀的100 mM pH 7.0無(wú)氧PBS中測(cè)試。（a）中右側(cè)插入: 放大的RGO-A與RGO電極的阻抗圖的比較。（a）中左側(cè)插入：用于擬合阻抗數(shù)據(jù)的等效電路。（b）CPG/GO、GO-A、RGO、RGO-A以及RGO-A(N)電極在含有5 mM鐵氰化鉀的100 mM pH 7.0無(wú)氧PBS中，以50 mV/s掃描的CV曲線。（c）在含有[Ru(NH)
6]Cl
3中50 mV/s下的CV曲線。
Figure 3. （a）基于R-A和RGO-A基質(zhì)的BOD生物電極的CVs；（c）以及RGO-A和RGO基質(zhì)在100 mM PBS (pH 7.0)，掃描速率5 mV s
−1的CV。（b）投加20μL氧化石墨烯對(duì)RGO-A/BOD電極電催化還原O
2和ECSA性能的影響。
Figure 4. (a)在氧氣飽和的PBS (pH 7.0)中，掃描速率為1 mV s
−1，RGO- A、RGO或RGO- A (N)基質(zhì)上BOD催化還原O
2的線性掃描伏安圖。(b)在帶負(fù)電荷的電極表面上，BOD的兩種邊界取向?qū)е陆缑骐娮訌碾姌O到BOD的T1銅位點(diǎn)的隧穿距離不同的示意圖。
Figure 5 在含有20 mM葡萄糖的空氣平衡PBS (100 mM, pH 7.0)中，GOD生物陽(yáng)極和BOD生物陰極的極化和功率密度曲線。
相關(guān)研究成果于2021年由丹麥理工大學(xué)的Zhang Jingdong和Xiao Xinxin課題組，共同發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics（doi：10.1016/j.bios.2020.112500）上，原文：Bilirubin oxidase oriented on novel type three-dimensional biocathodes with reduced graphene aggregation for biocathode。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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