酶燃料电池是一种以生物酶为电催化剂的新型电池。由于燃料电池具有良好的生物相容性、能够在常温常压下运行、对环境友好、可用于可植入或可穿戴设备等诸多优点而拥有广阔的应用前景,备受研究者关注。酶燃料电池的核心部件是酶电极,它是一种利用酶的催化作用,催化氧化或催化还原底物产生电流的装置。酶电极及其构筑方法直接决定了酶燃料电池的性能。然而目前酶电极的输出性能和稳定性不满足实际使用的要求。这是由于酶电极上负载的酶蛋白质外壳不导电阻止了电子的传递,而且酶容易在制备和使用过程中脱落或失活,从而影响了酶电极的输出性能和稳定性,导致酶燃料电池还无法大规模生产和应用。为此,本论文设计、构筑了基于三维泡沫镍的酶电极、基于三维金沉积层的酶电极以及基于嵌入式固定法制备的三维酶电极这三种新型酶电极,并组装了三种基于这些酶电极的酶燃料电池。该研究可为高效酶电极的设计及其酶燃料电池的组装提供借鉴,亦可为酶燃料电池在可植入与可穿戴设备中的应用奠定基础。全文主要有以下三个方面:1、在三维泡沫镍作为基底的酶电极上修饰导电性优异的石墨烯和金纳米粒子,再将葡萄糖氧化酶、电子介体和漆酶通过共价键固定在电极表面,构筑了拥有三维双电子转移通道的酶阳极与三维直接电子转移的酶阴极,并将其用于一种新的葡萄糖/氧气酶燃料电池的组装。研究表明,采用三维泡沫镍基体能显著提高葡萄糖氧化酶在酶阳极表面的负载量,其负载密度可达4.03×10-7 mol cm-2,是平面电极的23倍;GOx/Fc CA/Au-r GO/Ni酶阳极的电子转移速率常数达到0.16 s-1,比同类电极提高了约7倍。在理想运行条件下,该电池最大输出功率密度可达2.84±0.09 mW cm-2,在连续运行60天后,其输出功率依然能够达到初始值的86.3%。在人类血液中,该燃料电池的最大输出功率达到了0.39±0.04 mW cm-2。可见,该电极具有载酶量高、稳定性好、活性高及电子转移速率高的优点;该燃料电池具有最大输出功率高、稳定性好的优点,有望在可植入设备领域获得实际应用。2、为了进一步提高酶电极和相应酶燃料电池的稳定性,用化学性质更加稳定的三维碳毡作为酶电极的基底在电极表面修饰金纳米粒子,构筑了三维导电网络;再利用季铵盐阳离子修饰的全氟磺酸树脂表面的微孔结构,嵌入式的固定葡萄糖脱氢酶和胆红素氧化酶,制备了酶阳极和酶阴极;并将这两个酶电极组装成了一个三维无隔膜葡萄糖/氧气酶燃料电池。研究表明,该电极的载酶量达5.37×10-8 mol cm-2,至少比平面电极大3倍;存放60天后酶阳极和酶阴极的性能稳定性,其电流值可分别保持其初始值的97.8%和97.6%。在理想运行状态下,该电池的开路电压为0.85 V;其最大输出功率可达0.0219±0.00013 mW cm-2;连续运行60天之后,该酶燃料电池的性能仍然保持了初始值的90.3%。可见,该电极具有稳定性高、有效载酶量高的优点;该电池具有开路电压高、稳定性高的优点,在可植入设备中有潜在的应用价值。3、使用具有更大表面积的超薄柔性泡沫镍作为电极基底,在其表面沉积金修饰层,构筑三维导电网络;再用共价键固定葡萄糖氧化酶和漆酶,制备得到了柔性酶阳极与柔性酶阴极,并将这两个柔性酶电极与醋酸纤维素膜、琼脂糖水凝胶电解质和硅橡胶组装得到了一种柔性葡萄糖/氧气酶燃料电池。研究表明,金修饰层使泡沫镍骨架表面更粗糙,提高了泡沫镍的表观表面积,降低了泡沫镍的电子转移电阻,其阻值由裸泡沫镍的55.7W降低到30.6W,降低了45%。三维金修饰的泡沫镍结构将酶电极的载酶量提高到了5.68×10-7 mol cm-2,使电池的短路电流密度在理想运行条件下增加到9.04 mA cm-2。该柔性酶燃料电池的最大输出功率密度可达2.32±0.07 mW cm-2,其输出性能60天后仍能保持84.6%。在1000次弯曲中和弯曲后其输出性能依然非常稳定。可见,该电极具有电子转移电阻小、载酶量高的优点;该酶燃料电池具有短路电流密度高、最大输出功率高、稳定性好及电池弯曲性能好的优点,在可穿戴领域有潜在应用价值。