生物医疗应用专题 | 生物催化剂油墨的状态与稳定性

摘要：生物催化剂层是生物催化膜的重要组成部分，构成了聚合物电解质膜生物电池的核心。为了实现生物电池的最佳性能，设计合适的催化剂层的结构与功能至关重要。因此，催化剂前体需要经过调整后应用于膜上，以形成有效的包覆膜。良好的分散性是实现催化剂油墨规模化生产的重要前提。

目的：本文中采用搅拌与超声法制备催化剂油墨，并利用分析离心法研究其状态和稳定性。

方法：油墨制备采用磁力搅拌和超声波不同的制备方式，通过分析离心法对油墨的状态和稳定性进行研究。

结论：通过使用Lum稳定性分析仪可以评估油墨样品的沉降情况及其稳定性。

一、生物催化剂的介绍

生物催化剂在新兴的生物医疗研究中扮演着关键角色，具有高效能、低能耗和良好的耐久性。特别是聚合物电解质膜生物电池能够直接将生物燃料转化为电能，为传统内燃机提供了重要的代替方案。生物催化剂作为膜的活性成分，构成了其核心部分。为了达到最佳生物电池性能，合适的催化剂层的设计和功能至关重要。因此，需要调整催化剂前体以形成良好的包覆膜。催化剂油墨的良好分散特性是其大规模生产的前提。

膜电极组件是生物电池的核心，通常由阳极与阴极催化剂层、聚合物电解质膜和气体扩散层组成。催化剂层是关键的氧化还原和生物化学反应的发生地，特别是阴极催化层的性能对生物电池的整体效果至关重要。虽可通过增加催化剂的负载来加速反应，但其经济性和可扩展性却是限制高负载的关键因素。因此，许多研究集中在优化催化剂涂层和膜电极组件的设计上。

高功率密度的生物电池阴极通常采用炭黑材料制成的催化剂油墨，作为支撑结构。这个高表面积的框架上，将铂颗粒作为电催化剂进行装饰。生物催化剂油墨一般为液体分散状态，但在实际应用中，它最终以涂层的方式施加于基底或膜上。阴极催化层中的Pt/C催化剂粉末则分散在带有溶剂和聚合物的连续相中。

二、实验

样品配置方法：首先，使用磁力搅拌器在500rpm下混合油墨样品24小时（样品编号：MS）。其次，油墨样品通过超声波浴混合30分钟（样品编号：UB）。第三组合由超声波浴30分钟后，再进行10分钟的探针超声，振幅为20%（样品编号：UB+S20）。最后，第四组油墨采用超声波浴30分钟，再进行10分钟的探针超声，振幅为70%（样品编号：UB+S70）。

稳定性分析：研究使用波长为870nm的光源，转子转速4000rpm（底部为2300g），每次测量包含333个剖面图，每175秒记录一次，总离心时间为16小时。为了检验结果的可重复性，分别在不同的天数内制备三组不同的油墨样品（共12个），并进行三次重复测量。

结论：通过剖面绘制，除了快速沉积的不稳定样品外，其余样品的谱线非常接近。在沉积实验的初期和尾声，各个剖面之间的距离较窄，表明线条形成了紧凑的片段。通过分析可得出，所有样品的透过率均达到80%以上，某些样品更是显示出85%的透过率，说明其已经实现完全沉积。

三、设备介绍

德国LUM公司的LumiSizer基于STEP（空间-时间消光曲线）技术，通过CCD检测器实时监测穿过样品的透光率变化。通过加速离心的方式，物理地加速样品，能够直接有效地测试其稳定性。此设备最多可同时检测12个样品，同时具备4~60℃的温控功能，非常适合生物医疗领域的应用，显著节省了时间和人力成本。

尊龙凯时人生就博致力于分析整体稳定性，包括不稳定性指数和有效期预测等，以确保生物催化剂油墨的配方和工艺符合预期要求。改性多壁碳纳米管的稳定性对生物产品质量至关重要，快速分析不同配方的稳定性可以加速研发进程。