全球能源需求随着人口的快速增长而急剧上升，传统化石能源在大量消耗下逐渐枯竭，其燃烧排放还加剧了全球变暖等环境问题。在此背景下，燃料电池作为一种可持续的能源解决方案，受到了广泛关注。酶促生物燃料电池（EBFCs）因其能在人体体温和生理 pH 条件下运行，在生物医学领域展现出独特的应用潜力，可用于制造起搏器、耳蜗植入物等设备。然而，EBFCs 的发展面临一些挑战，如氧化还原酶在电极表面的固定及电子转移效率问题。传统的介导电子转移（MET）技术存在介质灵敏度下降、易中毒等缺陷。因此，开发高效、稳定的酶促生物燃料电池阳极材料至关重要。本研究旨在通过制备电纺无介体聚苯胺基酶促生物燃料电池阳极，解决上述问题，提升 EBFCs 的性能。

一：阳极制备

本研究采用静电纺丝法制备聚苯胺（PANI）和聚苯乙烯复合纤维，并将其沉积在玻碳电极（GCE）上，随后固定葡萄糖氧化酶（GOx），成功制备出生物阳极（图 1。这种制备方法有效提高了酶的固定效率，为实现高效的电子转移奠定了基础。

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二：材料表征

热稳定性分析：通过热重分析（TGA）研究复合纤维的热稳定性结果显示，该复合纤维在不同温度区间呈现不同程度的重量损失，表明其具有良好的热稳定性，优于纯 PANI，这为生物阳极在实际应用中的稳定性提供了保障（图 2）。

功能基团分析：利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对复合纤维的功能基团进行分析。光谱中的特征吸收峰证实了复合材料中各种功能基团的存在，为理解材料的化学结构和性能提供了重要依据（图3）。

结晶性分析：X 射线衍射（XRD）分析表明，制备的生物复合材料具有结晶性。在特定 2θ 值处出现的尖锐峰，证明了电纺纳米纤维的结晶行为，有助于提升材料的电学性能（图4）。

形貌观察：通过扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率扫描电子显微镜（HR - SEM）对复合纤维的形貌进行观察。结果显示，复合纤维形成了致密的蜘蛛网状随机缠结结构，表面光滑无珠，聚苯胺均匀分散在聚苯乙烯纤维内部，这种结构有利于酶的固定和电子转移（图5）。

三：电化学性能研究

循环伏安法（CV）：对制备的 PANI - 聚苯乙烯 / GOx 复合纤维进行 CV 研究。结果表明，该复合生物材料在酶活性位点与电极表面之间提供了有效的电通信，无需添加介体。随着 GOx 的添加，电流密度和氧化还原峰显著增加，且在一定范围内，电流密度与扫描速率呈线性关系，表明该电极过程受扩散控制。

葡萄糖存在下的电化学行为：在葡萄糖存在下，PANI - 聚苯乙烯 / GOx 阳极的电流密度显著增加。在 20 mM 葡萄糖浓度下，阳极产生的最大电流密度为2.689mA/cm 2，表明该阳极能够有效地催化葡萄糖氧化产生电流，且氧化电位在葡萄糖存在下降低，进一步证明了 GOx 修饰的阳极对葡萄糖氧化的促进作用（图6）。

线性扫描伏安法（LSV）：LSV 结果显示，随着葡萄糖浓度的增加，生物阳极产生的催化电流在 0 - 20 mM 范围内呈线性增加，达到最大值后，继续增加葡萄糖浓度，电流密度逐渐下降，这是由于葡萄糖浓度过高导致的饱和现象（图7）。

电化学阻抗谱（EIS）：EIS 研究表明，Nyquist 图中存在半圆形区域和直线区域，分别对应电荷转移限制过程和扩散控制反应。较小的半圆直径表明 PANI - 聚苯乙烯复合材料具有良好的电子转移能力，而修饰酶后的半圆直径增大，证明了酶成功固定在生物阳极上。

四：结论

本研究成功制备了用于酶促生物燃料电池的纤维状生物阳极。该阳极在 20 mM 葡萄糖存在下表现出出色的电响应，产生的电流为2.689mA/cm 2，接近人体血液中的葡萄糖浓度。同时，该生物阳极具有显著的操作稳定性，在 15 天内电流密度无明显变化，之后缓慢下降。静电纺丝过程增加了纤维的孔隙率和表面积，有助于暴露更多酶的活性位点，实现了更好的酶固定化。本研究为减少酶促生物燃料电池对传统介体的依赖提供了可行方案，为开发小型化、可穿戴的酶促生物燃料电池奠定了基础。未来研究可进一步探索通过添加纳米颗粒、碳纳米管等材料来提高生物阳极的功率输出，推动酶促生物燃料电池的实际应用。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2025.130814