本发明涉及微生物燃料电池，具体涉及一种环境友好的原位微生物还原氧化石墨烯后自组装形成石墨烯修饰生物电极和构建双石墨烯生物电极微生物燃料电池的方法。
背景技术：
微生物燃料电池(microbialfuelcell，简称mfc)是一种利用微生物将有机物转变为电能的新型生物电化学装置，mfc可在处理废水的同时产生电能。
提高mfc输出产生的功率一直是mfc发展的重要方向。mfc产电性能与电极材料、产电菌、阴阳极微生态、电子介体、mfc构型和运行条件等密切相关。其中，产电菌覆膜更新和电子传递载体的阴极、阳极材料是mfc产电的关键因素之一，直接决定产电菌与电极的交互作用，影响微生物覆膜和更新，进而影响到微生物代谢生长与电子传递、库伦效率与功率输出。
石墨烯(graphene)是一种新型碳纳米材料，理论比表面积达2630m2/g、电导率为6000s/cm。因而是一种能有效提高mfc产电性能的电极修饰材料，其价格较低，极具应用前景。
但是目前化学法、电化学法、热处理法等还原法制备石墨烯或需使用有毒试剂(如水合肼)或需要高温条件，环境不友好。而且制备的石墨烯具有很强的疏水性，在水溶液中难于分散，不能直接修饰电极，且易发生团聚，显著降低其比表面积和导电性能。通常需要借助有机高分子导电聚合物(如nafion、聚苯胺和聚吡咯等)的辅助才能将石墨烯均匀固定于电极表面。这样不仅使得石墨烯电极的制作难度增大，增加了电极制备成本，抵消了石墨烯低成本优点；也使得所得石墨烯电极内阻增大，抵消了石墨烯高导电性优点。
现有技术mfc阴极和阳极微生物都很难在电极表面疏水性极强的石墨烯上着床覆膜，难以制备出适合微生物着床覆膜的石墨烯生物电极，从而无法充分发挥石墨烯与微生物共同作用来提高微生物燃料电池的产能。
技术实现要素：
为了克服上述存在的问题，本发明的主要目的在于提供环境友好的石墨烯生物电极微生物燃料电池及其制备方法。该法通过微生物原位还原氧化石墨烯在电极表面自组装形成石墨烯修饰生物电极可提高微生物燃料电池的产电效能。
本发明的目的通过下述方案实现：
环境友好的石墨烯生物电极微生物燃料电池及其制备方法的组成部分有：阴极室、阳极室、质子交换膜、阴极电极、阳极电极、外电阻、外电路；阴极室和阳极室均有活性污泥、营养液、痕量元素、维生素等。
所述的双石墨烯生物电极微生物燃料电池是由石墨烯修饰生物阴极和石墨烯修饰生物阳极组成的双室型微生物燃料电池。
所述的石墨烯修饰生物阳极是在阳极室添加氧化石墨烯溶液，利用微生物的还原作用将氧化石墨烯还原生成石墨烯，自组装形成石墨烯修饰生物阳极。
所述石墨烯修饰生物阴极是由微生物燃料电池的石墨烯修饰生物阳极反转成为石墨烯修饰生物阴极。
石墨烯修饰生物阴极已经形成之后，再重复上述步骤，在阳极室添加氧化石墨烯溶液，利用微生物的还原作用将氧化石墨烯还原生成石墨烯，自组装形成石墨烯生物修饰阳极。至此，所述双石墨烯生物电极微生物燃料电池形成。
微生物燃料电池的阳极是密闭厌氧环境，外接排气装置排出产生的气体；阴极是好氧环境，维持溶解氧在6～8mg/l左右。
阳极室内与阳极室内碳源为浓度为cod当量500～1000mg/l。
所述的产电菌是以污水处理厂的活性污泥接种，在微生物燃料电池的阴极室和阳极室分别进行好氧和厌氧驯化所形成的混合产电菌群。
所述的产电菌群以生物膜的形式与石墨烯在电极表面进行生长。
采用双室型微生物燃料电池在恒温室(30±2℃)中运行。将活性污泥依照反应器体积的10％～20％分别接种于反应器的阴极室和阳极室；阳极添加碳源和培养液并维持厌氧环境，外接排气装置将厌氧产生的气体排出而又不使外部空气进入；阴极则添加碳源和培养液并持续曝气，维持溶解氧在6～8mg/l；外导线接外电阻，并以数据采集卡采集输出电压，启动微生物燃料电池。在微生物燃料电池的阳极室，加入氧化石墨烯溶液；微生物的还原作用将氧化石墨烯还原成为石墨烯，使得还原的过程与形成石墨烯阳极的过程得到同步，待石墨烯阳极电极形成之后将石墨烯生物阳极反转电极成为石墨烯生物阴极电极；原先的阳极室变为阴极室，进行曝气维持溶解氧在6～8mg/l，原先的阴极室变成阳极室，密闭厌氧外接排气装置，再在阳极室添加氧化石墨烯溶液；所述活性污泥取自城市污水处理。
所述营养液成分为磷酸盐缓冲液(见表1)、痕量元素(见表2)和维生素(见表3)配比如下，依据反应器大小适量添加。
所述阳极室和阴极室材料为抗酸碱腐蚀的材料(如聚甲基丙烯酸甲酯等)。
所述的阴极电极和阳极电极悬空于电极室中间部位。
所述阳极电极和阴极电极材料为碳材料或其他基础电极材料，阳极电极和阴极电极材料可相同或不同。所述碳材料或其他基础电极材料可为石墨毡、介孔碳纤维或碳纳米管中的一种或多种，多孔碳材料比表面积大，有利于微生物菌群的附着生长。
所述的外电路指阴极电极和阳极电极通过金属导线与外电阻相连。所选金属导线具有抗腐蚀、导电性能优良、价格廉价等优点。
所述石墨烯修饰电极微生物燃料电池长期运行过程中，石墨烯修饰电极的修复可通过再次在阳极室添加氧化石墨烯溶液，形成石墨烯修饰生物阳极，再进行极性反转的循环操作方式完成。
上述微生物燃料电池的制备方法，包括以下具体步骤：
把碳材料或其他基础电极材料电极分别作为微生物燃料电池的阳极和阴极，分别悬空于阳极室和阴极室，通过金属导线与外电阻连接；阳极室和阴极室之间以质子交换膜隔开，阳极室和阴极室均添加磷酸盐缓冲液、痕量元素和维生素，阳极室和阴极室加cod当量500～1000mg/l的碳源，阳极室在添加一定浓度的氧化石墨烯溶液，利用微生物的还原作用形成石墨烯修饰生物阳极，然后反转电极形成石墨烯修饰生物阴极；然后再在微生物燃料电池的阳极室连续投加一定浓度的氧化石墨烯溶液，使之形成石墨烯修饰生物阳极，待石墨烯生物修饰阳极形成之后，与之前形成的石墨烯生物修饰阴极组成双石墨烯电极微生物燃料电池。
所述的周期完成是指数据采集卡所测得的电池输出电压低于设定电压。
在阳极，以碳源为电子供体，细菌厌氧氧化葡萄糖，获取电子，并传递给阳极，电子再通过外电路循环到达阴极，与阴极的氧气反应生成水，电子流动形成电流而产电；反转极性后，原先的阳极变成阴极，原先的阴极变成阳极，从而形成石墨烯修饰生物阴极，再在阳极室添加氧化石墨烯溶液，使之再次形成石墨烯阳极，通过这样的操作运行方式克服了疏水性石墨烯不能直接修饰电极这一技术障碍，从而实现连续高效产电。
本发明的机理为：
本发明的石墨烯修饰生物电极及双石墨烯生物电极微生物燃料电池采用的是阳极添加氧化石墨烯溶液，利用微生物的还原作用将氧化石墨烯还原形成石墨烯修饰生物阳极，然后采用反转极性的运行方式，将石墨烯修饰生物阳极变为石墨烯修饰生物阴极。本发明两次在阳极室投加氧化石墨烯溶液，一次电极反转的方式，克服了疏水性石墨烯不能直接修饰电极这一技术障碍且充分利用了石墨烯优良的导电性能和巨大的比表面积，在阴极增加氧气、质子和电子的接触作用，在阳极增加电子传递效率，从而进行高效持续产电。
本发明相比于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明的石墨烯修饰生物电极微生物燃料电池是在微生物燃料电池的阳极添加氧化石墨烯溶液，利用微生物的还原作用原位形成石墨烯修饰阳极，与阳极微生物共生长于电极表面形成三维石墨烯电极，然后反转电极成为石墨烯修饰生物阴极，这克服了疏水性石墨烯不能直接修饰电极这一技术障碍，形成一种环境友好的石墨烯生物阴极微生物燃料电池。
(2)本发明的双石墨烯生物电极微生物燃料电池利用石墨烯的优良导电性和石墨烯的巨大比表面积使得发生在阳极上的电子传递速率和电子传递效率增大，增强阳极上的氧化反应，同时使得发生在阴极上的氧气、质子和电子能够具有更好的还原反应，从而提高双石墨烯微生物燃料电池的阳极电子传递性能和阴极催化活性，进而提高整个微生物燃料电池的功率密度，达到高效持续产电的目的。
(3)本发明的石墨烯修饰生物电极及双石墨烯电极微生物燃料电池的阴极和阳极均采用活性污泥作为生物催化剂，无任何金属催化剂修饰或外源人工介体的添加，降低了微生物燃料电池构建与运行成本，增强微生物燃料电池的持续运行，有利于后续工业放大。
附图说明
图1为实施例1制备的石墨烯修饰生物阳极微生物燃料电池的电流密度-功率密度图；
图2为实施例1制备的石墨烯修饰生物阳极微生物燃料电池的极化曲线图；
图3为实施例2制备的石墨烯修饰生物阴极微生物燃料电池的电流密度-功率密度图；
图4为实施例2制备的石墨烯修饰生物阴极微生物燃料电池的极化曲线图；
图5为实施例3制备的双石墨烯生物电极微生物燃料电池的电流密度-功率密度图；
图6为实施例3制备的双石墨烯生物电极微生物燃料电池的极化曲线图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例1
(1)微生物燃料电池的结构与组装
微生物燃料电池由耐酸碱腐蚀和易于加工的聚甲基丙烯酸甲酯材料制备。池体为单室，容积为40cm3，阳极室和阴极室由质子交换膜(pe01，购自浙江千秋集团有限公司)分隔，阳极材料为石墨毡，阴极材料为负载有催化剂的碳纸(催化剂为铂，负载量为0.5mg/cm2)。阳极相对中间隔膜平行悬空放置，并通过钛丝与外电阻相连，用不锈钢网与阴极连接构成回路。池体顶端开口设置，便于运行监控、数据的采集和取样分析。阳极室顶盖额外设置一个带减压阀的排气孔便于内部气体的排出。池体侧面底端设置排水口便于室内液体排出，运行时用止水夹夹紧。
(2)石墨烯生物阳极微生物燃料电池的构建
采用两个独立的单室型微生物燃料电池在恒温室(30±2℃)中运行。厌氧活性污泥(取自广州猎德污水处理厂)依照阳极室体积的10％接种于反应器的阳极室；阳极室添加以葡萄糖为有机碳源的培养液(使得葡萄糖含量为500mg/l)并维持厌氧环境，外接排气装置将厌氧产生的气体排出而又不使外部空气进入；在两个微生物燃料电池(分别命名为mfc-a和mfc-b)阳极室都分别添加磷酸盐缓冲液(见表1)、痕量元素溶液(见表2)、维生素溶液(见表3)；在b微生物燃料电池(mfc-b)阳极室中添加氧化石墨烯，使得氧化石墨烯浓度为1mg/l；外接500ω外电阻，并以数据采集卡采集输出电压，启动微生物燃料电池。用外接数据采集器的电脑监控和采集微生物燃料电池输出电压，电压低于50mv更换阳极溶液。前三个周期均向mfc-b阳极室添加氧化石墨烯溶液，与磷酸盐缓冲液、痕量元素溶液、维生素溶液一起添加。
表1磷酸缓冲溶液(pbs)配方
备注：所有试剂均为分析纯；定容至1l，配得pbs浓度为200mm，使用浓度为50mm。
表2痕量元素配方
备注：所有试剂均为分析纯；定容至1l待用(置于4℃冰箱保存)。换水时，稀释100倍使用。
表3维生素配方
备注：所有试剂均为分析纯；定容至1l，配得100倍的维生素储备液，稀释100倍待用(置于4℃冰箱保存)。
微生物原位还原氧化石墨烯修饰阳极的微生物燃料电池运行六个周期，以便掌握运行规律，第六周期对两个微生物燃料电池的功率密度和极化曲线进行测试。图1为两个电池的功率密度曲线，功率密度是当mfc开路至电压稳定后，通过电阻箱改变外接电阻阻值(5000-50ω)，在每个阻值下的电压稳定后记录并更换下一个电阻，如图1所示，功率密度是评价mfc系统的产电性能，这里采用的是面积功率密度，石墨烯修饰微生物燃料电池(mfc-b)的功率密度为1147.2mw/m2，作为对照组的微生物燃料电池(mfc-a)的功率密度为712.5mw/m2，这说明微生物还原石墨烯修饰阳极对mfc的功率密度提升了61.0％。
图2为两个微生物燃料电池的极化曲线图，极化曲线也是通过上述变电阻的方法获得的，随着外电阻的从大变小，电流密度增大过程中，极化曲线表征了一定电流下，mfc能够得到多大的电压，从图2中可以看出，在相同电势下，石墨烯修饰阳极微生物燃料电池mfc-b的电流密度更大，这表明微生物还原石墨烯修饰阳极微生物燃料电池的还原能力变强；在相同电流密度下，mfc-b阴阳极的电势差更大，说明微生物还原石墨烯修饰阳极微生物燃料电池mfc-b电极表面的生化反应推动力更强。
本实施例制备了石墨烯修饰生物阳极的单室型微生物燃料电池，无需额外添加任何外源人工电子介体，操作简便，可在较低运行成本下实现连续高效产能的目的，且环境友好不污染环境。
实施例2
(1)微生物燃料电池的结构与组装
本发明的微生物燃料电池由耐酸碱腐蚀和易于加工的聚甲基丙烯酸甲酯材料构成。池体分为两室，中间由质子交换膜分隔，两室中均包含电极，电极材料为比表面积大的多孔石墨毡材料，便于微生物在其表面和内部以生物膜的形式附着生长。两电极相对中间隔膜平行悬空放置，并通过钛丝与外电阻相连，构成回路。整个反应器通过夹板及螺丝固定。池体顶端开口设置便于运行监控、数据的采集和取样分析。阳极室顶盖额外设置一个带减压阀的排气孔，便于内部气体的排出。池体侧面底端设置排水口便于室内液体排出，运行时用止水夹夹紧。
(2)石墨烯修饰生物阴极微生物燃料电池的构建
采用两个独立的双室型微生物燃料电池在恒温室(30±2℃)中运行。按照质量比1∶1混合的好氧活性污泥+厌氧活性污泥(取自广州市猎德污水处理厂a2/o工艺的好氧段和厌氧段)依照反应器体积的10％分别接种于反应器的阴极室和阳极室；阳极室容积为240ml，阳极室内碳源为葡萄糖，浓度为cod当量500mg/l。阴极室容积为240ml，阴极室内碳源为nahco3，浓度为cod当量500mg/l；阳极添加以葡萄糖为有机碳源的培养液并维持厌氧环境，外接排气装置将厌氧产生的气体排出而又不使外部空气进入；阴极则添加以nahco3为碳源的培养液并持续曝气维持溶解氧在6～8mg/l；阴极室与阳极室均添加磷酸盐缓冲液(见表1)、痕量元素溶液(见表2)、维生素溶液(见表3)；在微生物燃料电池(命名为mfc-a，另一不添加氧化石墨烯溶液的命名为mfc-b)阳极室中添加氧化石墨烯溶液，使得氧化石墨烯溶液浓度为1mg/l；外接500ω外电阻，并以数据采集卡采集输出电压，启动微生物燃料电池。用外接数据采集器的电脑监控和采集微生物燃料电池输出电压，电压低于50mv更换阴、阳极溶液。
前三个周期保持上述运行方式和氧化石墨烯添加方式，第四个周期开始，a微生物燃料电池(mfc-a)和对照微生物燃料电池(mfc-b)开始电极反转，将原先的阳极变为阴极，原先的阴极变为阳极，碳源仍然保持新的阳极室添加葡萄糖，阴极室添加nahco3，阳极室不再添加氧化石墨烯溶液。
石墨烯修饰生物阴极微生物燃料电池运行两个周期以便掌握运行规律，第三周期对两个微生物燃料电池的功率密度和极化曲线进行测试。图3为通过上述变电阻法制备的石墨烯生物阴极微生物燃料电池的电流密度-功率密度图，功率密度是评价mfc系统的产电性能，这里采用的是面积功率密度，石墨烯修饰生物阴极微生物燃料电池(mfc-a)的功率密度为62.4mw/m2，空白生物阴极微生物燃料电池(mfc-b)的功率密度为57.8mw/m2，这说明石墨烯修饰生物阴极对mfc的功率密度提升了10％。图4为通过上述变电阻法得到的两个微生物燃料电池的极化曲线图，随着外电阻的从大变小，电流密度增大过程中，极化曲线表征了一定电流下，mfc能够得到多大的电压，从图中可以看出，在相同电势下，石墨烯修饰生物阴极的电流密度更大，这表明石墨烯修饰生物阴极的还原能力变强。
本实施例制备了石墨烯修饰生物阴极的微生物燃料电池，本实施例无需额外添加任何外源人工电子介体，环境友好，操作简便，可在较低运行成本下实现连续高效产能的目的。
实施例3
(1)微生物燃料电池的结构与组装
本发明的微生物燃料电池由耐酸碱腐蚀和易于加工的聚甲基丙烯酸甲酯材料构成。池体分为两室，中间由质子交换膜分隔，两室中均包含电极，电极材料为比表面积大的多孔石墨毡材料，便于微生物在其表面和内部以生物膜的形式附着生长。两电极相对中间隔膜平行悬空放置，并通过钛丝与外电阻相连，构成回路。整个反应器通过夹板及螺丝固定。池体顶端开口设置便于运行监控、数据的采集和取样分析。阳极室顶盖额外设置一个带减压阀的排气孔便于内部气体的排出。池体侧面底端设置排水口便于室内液体排出，运行时用止水夹夹紧。
(2)双石墨烯微生物燃料电池的构建
采用两个独立的双室型微生物燃料电池在恒温室(30±2℃)中运行。按照质量比1∶1混合的好氧活性污泥+厌氧活性污泥(取自广州市猎德污水处理厂a2/o工艺的好氧段和厌氧段)以反应器体积的10％分别接种于反应器的阴极室和阳极室；阳极室容积为240ml，阳极室内碳源为葡萄糖，浓度为cod当量500mg/l；阴极室容积为240ml，阴极室内碳源为nahco3，浓度为cod当量500mg/l；阳极添加以葡萄糖为有机碳源的培养液并维持厌氧环境，外接排气装置将厌氧产生的气体排出而又不使外部空气进入；阴极则添加以nahco3为无机碳源的培养液并持续曝气维持溶解氧在6～8mg/l；阴极室与阳极室均添加磷酸盐缓冲液(见表1)、痕量元素溶液(见表2)、维生素溶液(见表3)；在a微生物燃料电池(mfc-a)阳极室中添加氧化石墨烯溶液，使得氧化石墨烯浓度为1mg/l；外接500ω外电阻，并以数据采集卡采集输出电压，启动微生物燃料电池。用外接数据采集器的电脑监控和采集微生物燃料电池输出电压，电压低于50mv更换阴、阳极溶液。
前三个周期保持上述运行方式和氧化石墨烯溶液添加方式，第四个周期开始，a微生物燃料电池(mfc-a)和对照微生物燃料电池(mfc-b)开始电极反转，将原先的阳极变为阴极，原先的阴极变为阳极，再在微生物燃料电池的阳极室连续投加三个周期的浓度为1mg/l的氧化石墨烯，使之形成石墨烯生物阳极，待石墨烯修饰生物阳极形成之后，与之前形成的石墨烯生物阴极组成双石墨烯电极微生物燃料电池。添加碳源仍然保持新的阳极室添加葡萄糖，阴极室添加nahco3。
双石墨烯微生物燃料电池运行两个周期以便掌握运行规律，第三周期对两个微生物燃料电池的功率密度和极化曲线进行测试。图5为通过上述变电阻法制备的双石墨烯微生物燃料电池的电流密度-功率密度图，功率密度是评价mfc系统的产电性能，这里采用的是面积功率密度，双石墨烯微生物燃料电池(mfc-a)的功率密度为69.6mw/m2，对照微生物燃料电池(mfc-b)的功率密度为35.5mw/m2，这说明双石墨烯微生物燃料电池的功率密度是对照微生物燃料电池的1.96倍。
图6为通过上述变电阻法得到的两个微生物燃料电池的极化曲线图，随着外电阻的从大变小，电流密度增大过程中，极化曲线表征了一定电流下，mfc能够得到多大的电压。从图中可以看出，在相同电势下，双石墨烯修饰生物阴极的电流密度更大，这表明石墨烯生物阴极的还原能力变强；在相同电势下，双石墨烯生物阳极的电流密度更大，这表明石墨烯生物阳极的氧化能力更强；这就使得双石墨烯微生物燃料电池的产电效能得到很大程度的提升。
本实施例制备了双石墨烯修饰生物电极微生物燃料电池，该微生物燃料电池无需额外添加任何外源人工电子介体，环境友好，操作简便，可在较低运行成本下实现连续高效产能的目的。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。