一种利用黄孢原毛平革菌菌丝体制备多孔碳材料的方法

本发明属于生物材料，特别涉及一种利用黄孢原毛平革菌菌丝体制备多孔碳材料的方法。

背景技术：

1、碳材料因具有多孔结构、高比表面积、高导电率及高环境稳定性等特性，被广泛用于清洁能源的开发和环境污染的治理。基于绿色化学和可持续发展理念，将活的生物系统引入材料学领域，以可控的方式从生物资源中获得材料是当前研究的热点。纤维素、木质素、果胶等天然材料因具有来源广、数量大、价格低、易加工及独特天然结构等优势，可作为制备高性能碳材料的碳源。但是用这些天然材料制备高性能碳材料存在原材料处理困难、产量低、耗时长等缺点，限制了其大规模应用。为解决上述问题亟需开发出一种简单、经济、高效且可控的碳材料制备工艺。

2、真菌通过细长丝状细胞的顶端生长形成菌丝，菌丝交错相连，形成一个三维网状结构。真菌菌丝体主要由几丁质、纤维素、蛋白质等天然聚合物组成，是一种天然高分子复合纤维材料。因具有良好的定殖率、对多种异生物质的降解能力及所制备材料具有更高的刚度和强度，白腐真菌常被用于制备菌丝体基复合材料。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用黄孢原毛平革菌菌丝体制备多孔碳材料的方法。本发明选择白腐真菌的模式菌种黄孢原毛平革菌为目标菌种，通过调控培养基，结合预碳化-koh机械活化-二次碳化-酸化联合处理工艺制备出具有更高比表面积的多孔碳材料；本发明方法经济、高效、简单、环保。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

3、本发明提供一种利用黄孢原毛平革菌菌丝体制备多孔碳材料的方法，其首先对黄孢原毛平革菌进行自固定化培养以获得菌丝球；然后通过冷冻干燥和预碳化步骤制备前体生物炭，最后依次通过koh机械活化、二次碳化、酸化和水洗干燥步骤得到真菌菌丝体多孔碳材料；具体步骤如下：

4、(1)真菌菌丝体的制备

5、将2～6ml黄孢原毛平革菌孢子悬浮液接种至含100ml已灭菌马铃薯浸粉-葡萄糖培养基的锥形瓶中，孢子悬浮液的孢子数为1×105-5×105个孢子/ml，在培养温度30-40℃、摇床转速为120-180rpm条件下振荡培养3-5天，形成致密菌丝球；

6、(2)真菌菌丝体的冷冻干燥

7、取出菌丝球，并用去离子水清洗至菌丝球表面无粘液，然后将其进行真空冷冻干燥；(3)真菌菌丝体多孔碳材料的制备

8、①预碳化：将干燥好的样品放入管式炉中，在惰性气氛中以5-10℃/min的速率升温至480-520℃的温度并保温1-3h，以制备前体生物炭；

9、②koh机械活化：将得到的前体生物炭与koh粉末以质量比为1:1-1:5的比例进行混合活化，然后在玛瑙研钵中研磨5-25min；

10、③二次碳化：将得到的混合物放入管式炉中，在惰性气氛中以5-10℃/min的速度升温至680-720℃的温度并保温1-3h，以制备活化后生物炭；

11、④酸化：将活化后生物质炭用酸溶液浸泡；

12、⑤水洗干燥：将酸化后的固体粉末经去离子水洗涤至ph＝7.5-8.5后，烘干，得到真菌菌丝体多孔碳材料。

13、上述步骤(1)中，所用黄孢原毛平革菌为黄孢原毛平革菌(u.s.a ndm3-2)，其购自广东省微生物菌种保藏中心。

14、上述步骤(1)中，所用的液体培养基为改进的马铃薯-葡萄糖培养基，其成分包括：马铃薯浸粉150-200g/l和葡萄糖10-20g/l；并用3mol/l的硫酸溶液将培养基ph值调至4.50-5.50。

15、上述步骤(1)是在无菌条件下，将已制备好的真菌孢子悬浮液加入到已灭菌马铃薯-葡萄糖培养基中。

16、上述步骤(2)中，在真空冷冻干燥之前添加了预冷冻步骤，具体为先放入冰箱预冷冻3-5h，再用真空冷冻干燥机干燥10-30h。

17、上述步骤(3)①和步骤(3)③中，惰性气氛为氮气；

18、上述步骤(3)①中，前体生物炭与koh粉末的质量比为1:1-1:5。

19、上述步骤(3)④中，酸化步骤用的是1-3mol/l的硫酸溶液，酸化时间为5-25min。

20、上述步骤(3)⑤中，采用真空干燥方式烘干，干燥温度为50-80℃，干燥时间为12-48h。

21、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

22、本发明制备的真菌菌丝体多孔碳材料的bet比表面积为1949-3334m2/g，高于同期其他研究者制备的真菌菌丝体碳材料的bet比表面积9.8-1014m2/g。目前分析造成这一结果的原因可能主要有以下两点：(1)在真空冷冻干燥之前，用去离子水清洗了菌丝球表面的粘液，避免了其对碳材料孔结构的堵塞；(2)koh机械活化和酸化不仅可增大碳材料的比表面积、孔径和孔容，还可引入新的官能团。另外，当前体生物炭和koh的质量比为1:4时，真菌菌丝体多孔碳材料的bet比表面积为3334m2/g，高于单层石墨烯的比表面积2630m2/g。孔径分析结合sem分析表明，本发明所得真菌菌丝体碳材料以微孔和大孔为主，其中菌丝球内部以蜂窝状的大孔为主，真菌菌丝球壁遍布微孔。真菌菌丝体材料高的比表面积主要归因于真菌菌丝形成的多孔三维网状结构。由此可见，本发明以黄孢原毛平革菌菌丝体为碳源，经过简单的工艺流程就可以制备出高性能的多孔碳材料。

技术特征：

1. 一种利用黄孢原毛平革菌菌丝体制备多孔碳材料的方法，其特征在于，其首先对黄孢原毛平革菌(phanerochaete chrysosporium)进行自固定化培养以获得菌丝球；然后通过冷冻干燥和预碳化步骤制备前体生物炭，最后依次通过koh机械活化、二次碳化、酸化和水洗干燥步骤得到真菌菌丝体多孔碳材料；具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所用的液体培养基为改进的马铃薯-葡萄糖培养基，其成分包括：马铃薯浸粉150-200g/l和葡萄糖10-20g/l；并用3mol/l的硫酸溶液将培养基的ph值调至4.50-5.50。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，在真空冷冻干燥之前添加了预冷冻步骤，具体为先放入冰箱预冷冻3-5h，再用真空冷冻干燥机干燥10-30h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）①中，前体生物炭与koh粉末的质量比为1:1-1:5。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）④中，酸化步骤用的是1-3mol/l的硫酸溶液。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）⑤中，采用真空干燥方式烘干，干燥温度为50-80℃，干燥时间为12-48h。

技术总结
本发明属于生物材料技术领域，具体为一种利用黄孢原毛平革菌菌丝体制备多孔碳材料的方法。其首先对黄孢原毛平革菌(U.S.A NDM3‑2)进行自固定化培养，得到菌丝球，用去离子水清洗后冷冻干燥。将干燥好的样品于管式炉中在惰性气氛下进行预碳化，得到前体生物炭。将所得前体生物炭进行活化和二次碳化后，再进行酸化处理，水洗烘干，最终制备得到真菌菌丝体多孔碳材料。该发明的优点在于：制备方法简单、环保、经济和通用；所制备的真菌菌丝体多孔碳材料的比表面积高，以微孔和大孔为主，可用于环保、储能和催化等领域。

技术研发人员：刘倩,刘雯雯,李如燕,田震,李翔,马长文,张深,白洁繁
受保护的技术使用者：上海第二工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10