一种水凝胶微生物电极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电极，尤其涉及一种水凝胶微生物电极及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微生物燃料电池(microbial fuel cell)是一种近年来发展起来的生物电化学技术，它利用电活性微生物催化不同的电化学反应，以达到不同的应用目的，如产电、产氢、化学合成、生物修复、污水处理等。【(a)K.Rabaey and ff.Verstraete, Trends inB1technology, 2005, 23 291-298.(b) K.Rabaey, L.Angenent, U.Schroder andJ.Keller, B1electrochemical Systems: From Extracellular Electron Transfer toB1technological Applicat1n, 2009, 1st ed., IffA Publishing, London.】在微生物燃料电池中，电活性微生物以生物膜的形式生长在阳极上，其成分主要是Geobacter和
等产电菌。【(a) B.E.Logan and J.M.Regan, Trends in Microb1logy,2006, 14, 512-518.(b) B.E.Logan, Nature Reviews Microb1logy, 2009, 7,375-381.(c) D.R.Lovley, Annual Review of Microb1logy, 2012, 66, null.】传统的微生物燃料电池以水溶液为电解质，阳极上电活性微生物膜在被水溶液包围，离子在水溶液中迀移。在水溶液电解液中，底物浓度、PH和溶解氧浓度等溶液参数的变化，水力扰动，外界振动，阴极的生物污染等对微生物燃料电池的性能具有极大的影响，导致其性能不稳定，阻碍了微生物燃料电池的实际应用。【(a) B.E.Logan, B.HameIers, R.A.Rozendal, U.Schrorder, J.Keller, S.Freguia, P.Aelterman, ff.Verstraeteand K.Rabaey, Environmental Science & Technology, 2006, 40, 5181-5192.(b)
H.Liu, S.A.Cheng and B.E.Logan, Environmental Science & Technology, 2005,39, 5488-5493.(c) G.S.Jadhav and M.M.Ghangrekar, B1resource Technology,2009, 100, 717-723.(d) F.Harnisch, S.Wirth and U.Schroder, ElectrochemistryCommunicat1ns，2009, 11, 2253-2256.】
本发明的水凝胶微生物电极是采用原位冷冻/解冻物理交联的方法制备水凝胶；将生长在电极的电活性微生物膜包裹、固定而制备而成。与传统在溶液中的微生物电极相比，水凝胶微生物电极可以耐受更在较高的底物浓度和pH的供给溶液，耐受水力扰动、外界振动的影响等。凝胶微生物阳极将可极大促进微生物燃料电池的实际应用。以该水凝胶生物电极为阳极的微生物燃料电池可以用于处理高强度、高碱度的污水等。基于水凝胶微生物电极还可以构建水凝胶电解质微生物燃料电池，用作便携式电源装置。
【发明内容】
[0003]传统微生物燃料电池以水溶液为电解质，阳极上电活性微生物膜在被水溶液包围，离子在水溶液中迀移。在水溶液电解液中，底物浓度、PH值和溶解氧浓度等溶液参数的变化，水力扰动，外界振动，阴极的生物污染等对微生物燃料电池的性能具有极大的影响，导致其性能不稳定，阻碍了微生物燃料电池的实际应用。本发明的目的在于提供一种水凝胶微生物电极及其制备方法。本发明的水凝胶生物电极中，电活性微生物膜被水凝胶包裹、保护，可以在高浓度底物和PH值水溶液中工作，同时还可耐受水力扰动和外界振动。
[0004]本发明是这样实现的，一种水凝胶微生物电极，是采用原位冷冻/解冻物理交联方法制备水凝胶，将生长在电极上的电活性微生物膜包裹、固定而制成；其具体结构为它包括电活性微生物膜、水凝胶、供给溶液、多孔电极和接线口，微生物电极从里至外依次为多孔电极、电活性微生物膜、水凝胶和供给溶液；电活性微生物膜生长在多孔电极上，多孔电极连接接线口。
[0005]一种水凝胶微生物电极的制备方法如下:
a)在电极上预先富集电活性微生物膜；
b)将一定分子量和醇解度的水凝胶聚合物溶解于一定浓度的电解质水溶液中，形成均一、透明的聚合物水溶液；
c)将b中制备的聚合物水溶液缓慢加入到a中预先富集了电活性微生物膜电极中，包裹电活性微生物膜；
d)将c中聚合物水溶液包裹的微生物电极置于低于0°C的温度下冷冻4~48小时，随后置于高于0°C的温度条件下解冻；
e)重复d中的冷冻/解冻步骤1-3次。
[0006]水凝胶聚合物是含有羟基功能团可溶于水，可采用冷冻/解冻法交联制备水凝胶的聚合物；主要包括聚乙烯醇及其共聚物；水凝胶聚合物分子量10-100万，醇解度>80%，优选>95% ;聚合物水溶液的浓度范围为8%-25% ；
所用的电极材料具有多孔、导电等特征；材料为炭或石墨、不锈钢、导电聚合物，以及它们的复合材料等；材料的形态包括毡、布、刷、泡沫、网等。
[0007]电解质的主要成分是无机盐，如氯化物、磷酸盐等；水溶液的pH值范围为7-8。
[0008]水凝胶微生物电极具有以下特征:
a)可耐受底物浓度高达200mM的溶液环境；
b)可耐受pH范围为6-11的溶液环境；
c)不受外界的振动、水力扰动的影响；
制备水凝胶的电解质溶液，其成分主要是有机盐或无机盐水溶液，如氯化物、磷酸盐等，其pH为范围为6-10，优选pH范围为7-8，浓度范围为20-200 mM。用电解质水溶液制备水凝胶的目的是使水凝胶具有良好的离子迀移性能。
[0009]本发明的技术效果是:与传统的直接在水溶液中工作的微生物电极相比，水凝胶微生物电极可以耐受更高底物浓度和pH值的电解质溶液，抵抗水力扰动、超声振动的影响等，因此可极大促进微生物燃料电池的实际应用。以该水凝胶生物电极为阳极的微生物燃料电池可以用于处理高强度、高碱度的污水等。而且，基于该水凝胶微生物电极可以构建水凝胶电解质微生物燃料电池，用作便携式电源装置。
【附图说明】
[0010]图1为水凝胶微生物电极示意图。
[0011]图2为电活性微生物膜冷冻/解冻前后的微生物电催化电流-时间曲线。
[0012]图3为空气阴极构型水凝胶电解质微生物燃料电池的构型示意图。
[0013]图4 (A)微生物电极和(B)凝胶微生物电极在不同pH条件下的电催化电流-时间曲线；电解质中磷酸盐浓度为50 mM，醋酸钠底物的浓度为20 mM。
[0014]图5醋酸钠底物的浓度分别为40、60、80和100 mM条件下，凝胶微生物电极的电流-时间曲线；电解液中的磷酸盐浓度为50 mM, pH为10。
[0015]图6.为水凝胶电解质微生物燃料电池的极化曲线和功率密度曲线。
【具体实施方式】
[0016]如图1所示，本发明是这样实现的，一种水凝胶微生物电极，是采用原位冷冻/解冻物理交联方法制备水凝胶，将生长在电极上的电活性微生物膜包裹、固定而制成，其具体结构为它包括电活性微生物膜1、水凝胶2、供给溶液3、多孔电极4和接线口 5，微生物电极从里至外依次为电活性微生物膜1、水凝胶2和供给溶液3，电活性微生物膜I上有多孔电极4，多孔电极4连接接线口 5。
[0017]低温冷冻是常用的保存微生物的方法；图2显示电活性微生物膜经过冷冻解冻后，一