一种微生物电化学系统用复合电极及其制备方法与流程

本发明属于微生物电化学技术领域，具体涉及一种微生物电化学系统用复合电极及其制备方法以及微生物电化学系统。

背景技术：

微生物电化学系统(bess)作为一种通用的可再生能源技术方兴未艾，并且应用极为广泛。其原理是以电活性细菌(exoelectrogens)作为一种生物催化剂，利用废水中的有机物作为底物，将新陈代谢过程产生的电子部分导出胞外，以达到处理废水的同时产生电力或在阴极产生各种高附加值产物，如氢气、甲醇或甲酸等的目的。

然而，这一技术却因较低的胞外电子传递效率而被极大地限制着其在实际过程中的应用。其中，阳极性能的好坏是影响bess性能的关键所在。目前广泛被研究者们应用的当属碳基材料。优异的生物相容性使得其能够长时间且稳定的与产电菌共存；发达且相互贯通的孔隙结构亦使得产电菌的附着以及传质过程都变得更加容易。但实践证明，单纯的碳基材料(如碳纸、碳毡、石墨板等)直接用于bess体系，其产电性能较差，开发廉价且高效的碳基阳极的需求迫在眉睫。聚苯胺(pani)具有制备简单、成本低、易于形成各种纳米结构、生物相容性好、环境稳定性好等优点，是电化学研究中很有前途的修饰材料。然而，pani在中性溶液中导电性差，限制了其在bess中的应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种微生物电化学系统用复合电极及其制备方法，本发明将sc与pani相结合用作bess阳极的修饰材料，二者的结合可相互弥补单负载的不足，协同提高bess的产电能力。

本发明提供了一种微生物电化学系统用复合电极的制备方法，包括以下步骤：

a)将柠檬酸钠干燥后进行升温热解，得到具有蜂窝状结构的碳材料；

b)将所述碳材料制备成分散液负载至碳纸电极表面，得到复合碳纸；

c)利用快速混合聚合法在复合碳纸表面沉积聚苯胺纳米颗粒，得到微生物电化学系统用复合电极。

优选的，所述升温热解为以5℃/min的升温速率升温至600℃热解2h，然后以5℃/min降温速率降温。

优选的，在步骤a)之后，步骤b)之前，还包括将所述碳材料用浓度为1mol/l的盐酸溶液进行清洗，再用去离子水洗至中性后干燥。

优选的，所述将所述碳材料制备成分散液的制备方法为：

将碳材料分散到的乙醇中，再向其中加入117粘连剂，最后超声处理，得到碳材料的分散液。

优选的，所述负载的方法为滴定烘干法，所述滴定烘干法为：

将分散液滴至碳纸表面，风干，等待碳纸表面乙醇完全挥发后再重复上述步骤，保证碳纸两面都均匀的负载等量的碳材料后，烘干。

优选的，所述快速混合聚合法为：

1)分别配置苯胺单体分散液和引聚剂分散液；

2)将引聚剂分散液加入至苯胺单体分散液中，混合搅拌，得到混合液；

3)将所述复合碳纸浸没于所述混合液中，静置反应后，清洗，烘干，得到微生物电化学系统用复合电极。

本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的微生物电化学系统用复合电极。

本发明还提供了一种微生物电化学系统，包括工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极为上述制备方法制备得到的微生物电化学系统用复合电极。

优选的，所述微生物电化学系统以s.oneidensismr-1细菌为生物催化剂，利用乳酸钠作为底物。

优选的，在所述微生物电化学系统运行时，其工作电极电位控制为+0.2v，参比电极为银/氯化银电极。

与现有技术相比，本发明提供了一种微生物电化学系统用复合电极的制备方法，包括以下步骤：a)将柠檬酸钠干燥后进行升温热解，得到具有蜂窝状结构的碳材料；b)将所述碳材料制备成分散液负载至碳纸电极表面，得到复合碳纸；c)利用快速混合聚合法在复合碳纸表面沉积聚苯胺纳米颗粒，得到微生物电化学系统用复合电极。本发明利用梯度升温热解技术将柠檬酸钠转化成具有蜂窝状结构的碳材料(sc)用于微生物电化学系统(bess)的阳极(工作电极)修饰材料，使得系统的产电量相较于单纯的碳纸电极有了约5倍的提升，其原因主要归因于sc良好的生物相容性、快速的传质能力和电子传递能力；其次，在此基础上又采用快速混合聚合法在sc表面负载了导电聚合物聚苯胺(pani)纳米颗粒，制备了pani-sc-cp复合电极，使得系统的产电能力相较于单纯负载sc又有了约1.3倍的提升，这主要归因于聚苯胺的负载有效地提高了电极的电化学活性。turnover模式下的cv结果表明pani和sc的负载协同促进了s.oneidensismr-1的胞外电子传递过程。正是由于以上几个因素综合作用的结果促进了bess产电能力的提高。

附图说明

图1为不同种类的碳纸电极的扫描电镜图，图1a为本发明实施例1使用的碳纸电极(cp)的扫描电镜图；图1b为本发明实施例1使用的sc修饰的碳纸电极(sc-cp)的扫描电镜图；图1c为本发明对比例1使用的pani修饰的碳纸电极(pani-cp)的扫描电镜图；图1d为本发明实施例1使用的pani和sc共修饰的碳纸电极(pani-sc-cp)的扫描电镜图；

图2为本发明实施例1使用的cp、sc-cp、pani-cp和pani-sc-cp电极的比表面积(bet)表征；

图3为本发明实施例1使用的cp、sc-cp、pani-cp和pani-sc-cp电极的xps表征图谱；

图4为本发明实施例2安装的bess运行结束之后阳极表面微生物蛋白含量分布图(bca蛋白法)；

图5为本发明实施例2使用的cp、sc-cp、pani-cp和pani-sc-cp电极用于微生物电化学系统的阳极(工作电极)的产电图；

图6为本发明实施例3使用的碳纸电极(cp)、sc修饰的碳纸电极(sc-cp)、pani修饰的碳纸电极(pani-cp)以及pani和sc共修饰的碳纸电极(pani-sc-cp)在bess中待底物消耗殆尽时的循环伏安扫描图；

图7为本发明实施例3使用的碳纸电极(cp)、sc修饰的碳纸电极(sc-cp)、pani修饰的碳纸电极(pani-cp)以及pani和sc共修饰的碳纸电极(pani-sc-cp)在铁氰化钾体系中的eis阻抗谱图；

图8为实施例4不同盐量处理对于蜂窝状结构的碳材料sc产电的影响。

具体实施方式

本发明提供了一种微生物电化学系统用复合电极的制备方法，包括以下步骤：

a)将柠檬酸钠干燥后进行升温热解，得到具有蜂窝状结构的碳材料；

b)将所述碳材料制备成分散液负载至碳纸电极表面，得到复合碳纸；

c)利用快速混合聚合法在复合碳纸表面沉积聚苯胺纳米颗粒，得到微生物电化学系统用复合电极。

本发明首先将柠檬酸钠进行干燥，本发明对所述干燥的方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的干燥方法即可。本发明对所述柠檬酸钠的来源没有特殊限制，一般市售即可。所述干燥的方法优选为：将柠檬酸钠颗粒于120℃烘箱中干燥12h即可。

然后将干燥的柠檬酸钠进行升温热解，具体的，将2.0g柠檬酸钠置于管式炉中进行升温热解，所述升温热解为以5℃/min的升温速率升温至600℃热解2h，然后以5℃/min降温速率降温。

热解后，得到具有大比表面积的蜂窝状结构的碳材料sc。

接着，将所述碳材料用浓度为1mol/l的盐酸溶液进行清洗，再用去离子水洗至中性后干燥。

其中，所述碳材料与盐酸溶液的质量体积比为1.0g：(50～200)ml。

盐酸清洗的作用是溶解热解后材料表面及内部的可溶性杂质，从而形成孔隙结构；不同盐酸量处理会影响最终sc的开孔程度，从而影响最终产电。因此，蜂窝状结构的碳材料sc的性能与盐酸量密切相关，当所述碳材料与盐酸溶液的质量体积比为1.0g：200ml时，蜂窝状结构的碳材料sc的产电性能达到最优，在该比例条件下，材料开孔程度趋于完全，因此产电最优。

所述盐酸清洗的温度为25℃，时间为20min

盐酸清洗后，再用去离子水洗至中性，然后最后于60℃的烘箱中干燥24h。

然后将所述碳材料制备成分散液，所述将所述碳材料制备成分散液的制备方法为：

将碳材料分散到的乙醇中，再向其中加入117粘连剂，最后超声处理，得到碳材料的分散液。

其中，所述碳材料、乙醇以及117粘连剂的比例关系为2.5mg：500μl：3μl。

所述超声处理的时间为3min。

然后，将所述碳材料制备成分散液负载至碳纸电极表面，得到复合碳纸。在本发明中，所述负载的方法为滴定烘干法，所述滴定烘干法为：

将分散液滴至碳纸表面，风干，等待碳纸表面乙醇完全挥发后再重复上述步骤，保证碳纸两面都均匀的负载等量的碳材料后，烘干。所述烘干为将电极置于60℃的烘箱中干燥12h。

最后，利用快速混合聚合法在复合碳纸表面沉积聚苯胺纳米颗粒，得到微生物电化学系统用复合电极。

在本发明中，所述快速混合聚合法(rapidlymixingpolymerization)(具体参见xing,shuangxi,etal."morphologyandconductivityofpolyanilinenanofiberspreparedby‘seeding’polymerization."polymer47.7(2006):2305-2313.)，或者也可以叫做快速混合反应(rapidmixingreactions)(具体参见参见huang,jiaxing,andrichardb.kaner."nanofiberformationinthechemicalpolymerizationofaniline:amechanisticstudy."angewandtechemie116.43(2004):5941-5945.)。

所述快速混合聚合法具体为：

1)分别配置苯胺单体分散液和引聚剂分散液；

2)将引聚剂分散液加入至苯胺单体分散液中，混合搅拌，得到混合液；

3)将所述复合碳纸浸没于所述混合液中，静置反应后，清洗，烘干，得到微生物电化学系统用复合电极。

其中，所述苯胺单体分散液为苯胺单体分散于盐酸中，所述苯胺单体分散液的浓度为0.32mmol/ml。

所述引聚剂分散液为引聚剂分散于盐酸中，所述引聚剂分散液的浓度为0.08mmol/ml，所述引聚剂选自过硫酸铵(aps)。

将引聚剂分散液缓慢加入到苯胺单体分散液中，快速搅拌1min，所述引聚剂分散液与苯胺单体分散液的体积比为1:1。

将制备好的sc碳纸电极浸没在混合液中，室温下静置反应24h，后再用去离子水洗去表面结合不牢固的聚苯胺，最后于60℃的烘箱中干燥，得到微生物电化学系统用复合电极。在本发明中，定义所述室温为25±5℃。

本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的微生物电化学系统用复合电极。

本发明还提供了一种微生物电化学系统，其特征在于，包括工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极为上述制备方法制备得到的微生物电化学系统用复合电极。

其中，所述微生物电化学系统以s.oneidensismr-1细菌为生物催化剂，所述s.oneidensismr-1细菌依次在lb培养基、好氧矿物盐培养基、厌氧矿物盐培养基中培养。所述lb培养基、好氧矿物盐培养基和厌氧矿物盐培养基的配方为本领域技术人员公知，在此不做赘述，所述lb培养基、好氧矿物盐培养基和厌氧矿物盐培养基在使用之前均需要先经高温灭菌锅灭菌。高温灭菌锅灭菌时，其温度控制在121℃，灭菌时间20min。

具体的，s.oneidensismr-1细菌首先在液体lb培养基中活化12h，再于好氧矿物盐培养基中培养24h，最后在厌氧矿物盐培养基中培养8h。

在本发明中，微生物被作为阳极反应的“催化剂”，微生物在消耗底物乳酸的同时会通过胞外电子传递的方式(eet)将电子传递至阳极表面，继而实现化学能向电能的转化。

本发明利用乳酸钠作为底物。为了缩短试验周期，实现s.oneidensismr-1野生型细菌的产电能力最佳，在将培养好的菌液加入到反应器的腔室内后，直接向腔室内注入337μl浓度为3.56mol/l的乳酸钠溶液作为底物供以产电菌利用，最终保证反应器内乳酸钠的初始浓度为20mmol/l。

在无菌超净台中安装微生物电化学系统(bess)，超净台在使用之前需先用紫外灯照射15min以灭菌。

利用上海辰华电化学工作站(chi1030c)对bess的产电情况进行监测；选用辰华电化学工作站中的amperometrici-tcurve技术监测电流。

bess在运行时，其工作电极电位控制为+0.2v，参比电极为银/氯化银(ag/agcl)电极。为更快地促进产电菌在电极表面的成膜，优选地将阳极电位控制为+0.2vv.s.参比电极(ag/agcl)。

在本发明中，所述微生物电化学系统(bess)的运行温度为30℃。

本发明采用梯度升温热解技术以及快速混合聚合法制备了聚苯胺纳米颗粒负载的具有蜂窝状网络结构的碳基阳极(pani-sc-cp)。在接种了革兰氏阴性异化金属还原菌shewanellaoneidensismr-1(s.oneidensismr-1)的微生物电化学系统中，其最大电流密度可以达到2.28a/m²，约为对照组的6.3倍。通过大量的电化学分析，阐明了提高bess性能的可能的机制，这应归因于复合电极优良的生物相容性和电极表面快速的传质及电子传递速率。

本发明利用梯度升温热解技术将柠檬酸钠转化成具有蜂窝状结构的碳材料(sc)用于微生物电化学系统(bess)的阳极修饰材料，使得系统的产电量相较于单纯的碳纸电极有了约5倍的提升，其原因主要归因于sc良好的生物相容性、快速的传质能力和电子传递能力；其次，在此基础上又采用快速混合聚合法在sc表面负载了导电聚合物聚苯胺(pani)纳米颗粒，制备了pani-sc-cp复合电极，使得系统的产电能力相较于单纯负载sc又有了约1.3倍的提升，这主要归因于聚苯胺的负载有效地提高了电极的电化学活性。turnover模式下的cv结果表明pani和sc的负载协同促进了s.oneidensismr-1的胞外电子传递过程。正是由于以上几个因素综合作用的结果促进了bess产电能力的提高。

本发明采用滴定烘干与快速混合聚合的方法，先将柠檬酸钠热解得到的蜂窝状结构的碳材料(sc)负载到碳纸电极表面，再通过快速聚合法将聚苯胺(pani)纳米颗粒沉积在sc表面后得到的复合电极用作生物电化学系统(bess)的阳极(工作电极)以促进其产电。本发明采用sc与pani共负载后的碳纸电极作为阳极(工作电极)，可使bess的产电能力提高6.3倍。这主要归因于复合电极的良好的生物相容性、优良的传质以及电子传递能力。该方法所需原料成本较低且制备方法简单，作为bess阳极(工作电极)，产电效果提升明显，便于规模化使用。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的微生物电化学系统用复合电极及其制备方法以及微生物电化学系统进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

本发明中的原材料以及试剂如无特殊说明均为市售。

实施例1

将柠檬酸钠颗粒于120℃烘箱中干燥12h；

然后，将干燥后的柠檬酸钠置于管式炉中以5℃/min的升温速率升温至600℃热解2h，然后以5℃/min降温速率降温，得到具有大比表面积的蜂窝状结构的碳材料(sc)。

将热解后得到的sc先用200ml浓度为1mol/l的盐酸溶液进行清洗，再用去离子水洗至中性，最后于60℃的烘箱中干燥24h。

将经酸洗处理后的2.5mgsc粉末与3μl117粘连剂加入到500μl乙醇溶液中，超声分散3min，得到分布均匀的sc分散液。

接着，每次取50μl的分散液，均匀的滴在碳纸(参见图1，图1中图1a为本发明实施例1使用的碳纸电极(cp)的扫描电镜图)的表面，室温风干，等待碳纸表面乙醇完全挥发后再重复上述步骤，直至分散液用尽，保证碳纸两面都均匀的负载等量的材料，最后将电极置于60℃的烘箱中干燥12h，得到sc修饰的碳纸电极(sc-cp)。对其进行电镜扫描，结果见图1中的图1b，图1b为本发明实施例1使用的sc修饰的碳纸电极(sc-cp)的扫描电镜图。

其次，分别配制苯胺单体分散液a和引聚剂分散液b，a液为8mmol的苯胺单体分散于25ml盐酸中，b液为2mmol过硫酸铵(aps)分散于25ml盐酸中，将b液缓慢加入到a液中，快速搅拌1min，将制备好的sc-cp电极浸没在混合液中，室温下静置24h后取出，再用去离子水洗去表面结合不牢固的聚苯胺，最后于60℃的烘箱中干燥24h得到pani和sc共修饰的复合电极(pani-sc-cp)。

本发明对最终得到的pani-sc-cp复合电极进行扫描电镜分析，图1d为本发明实施例1使用的碳pani-sc-cp复合电极的扫描电镜图。由图1d可以看出sc呈现薄层状负载在碳纤维上，而平均粒径为几十纳米的聚苯胺纳米颗粒镶嵌在sc的表面。

本发明对实施例1使用的蜂窝状结构碳材料进行比表面积测定，结果见图2，图中显示蜂窝状结构碳材料负载的碳纸电极(sc-cp)的比表面积相较纯碳纸(cp)约有65倍的提升，而较大的比表面积又很好的为产电菌在电极表面的附着提供了有利的条件。

本发明对实施例1使用的碳纸电极(cp)、蜂窝状结构的碳材料修饰的碳纸电极(sc-cp)、聚苯胺纳米颗粒修饰的碳纸电极(pani-cp)以及pani与sc共修饰的碳纸电极(pani-sc-cp)四种电极表面的氮氧元素的含量进行了xps分析，结果见图3，由图3可以看修饰后的碳纸电极较单纯的碳纸电极而言，其表面的氮和氧元素的含量明显提高，根据之前的报道，氮和氧元素一方面有利于细菌在电极表面的附着，另一方面能够促进细菌与电极界面间的相互作用。

对比例1

分别配制苯胺单体分散液a和引聚剂分散液b，a液为8mmol的苯胺单体分散于25ml盐酸中，b液为2mmol过硫酸铵(aps)分散于25ml盐酸中，将b液缓慢加入到a液中，快速搅拌1min，将制备好的碳纸电极(cp)浸没在混合液中，室温下静置24h后取出，再用去离子水洗去表面结合不牢固的聚苯胺，最后于60℃的烘箱中干燥24h得到聚苯胺纳米颗粒修饰的碳纸电极(pani-cp)。

实施例2

反应器等玻璃仪器、磁力搅拌转子、丁基橡胶塞配件在使用前均需要通过高压灭菌锅121℃灭菌；工作电极和铂丝对电极通过紫外灯灭菌，ag/agcl参比电极通过涂抹无水乙醇灭菌。

s.oneidensismr-1细菌首先在液体lb培养基中活化12h，再于好氧矿物盐培养基中培养24h，最后在厌氧矿物盐培养基中培养8h。

上述经过培养的微生物被作为阳极反应的“催化剂”，微生物在消耗底物乳酸的同时会通过胞外电子传递的方式(eet)将电子传递至阳极(工作电极)表面，继而实现化学能向电能的转化。

为了缩短试验周期，实现s.oneidensismr-1野生型细菌的产电能力最佳，在将培养好的菌液加入到反应器的腔室内后，直接向腔室内注入337μl浓度为3.56mol/l的乳酸钠溶液作为底物供以产电菌利用，最终保证反应器内乳酸钠的初始浓度为20mmol/l。

在超净台中组装bess，最后利用辰华电化学工作站对bess的产电进行监测。在所述微生物电化学系统运行时，其工作电极电位控制为+0.2v，参比电极为银/氯化银电极。

为表征产电结束后阳极表面产电菌的量，利用bca蛋白法测定法对电极表面微生物的含量进行了表征，结果见图4，由图4可以看出四种电极表面微生物含量的大小关系为pani-sc-cp电极＞sc-cp电极＞pani-cp电极＞cp电极，与产电结果一致。

图5为碳纸电极(cp)、蜂窝状结构的碳材料修饰的碳纸电极(sc-cp)、聚苯胺纳米颗粒修饰的碳纸电极(pani-cp)以及pani与sc共修饰的碳纸电极(pani-sc-cp)四种电极分别作为工作电极，系统产电随时间的变化图(i-t曲线)，可以看出，不同的阳极材料的产电能力的大小顺序为：pani-sc-cp电极＞sc-cp电极＞pani-cp电极＞cp电极。

实施例3

为了实现对修饰后的碳纸电极促进产电菌与阳极界面间电子传递过程的精确描述，在以上述制备的碳纸电极(cp)、蜂窝状结构的碳材料修饰的碳纸电极(sc-cp)、聚苯胺纳米颗粒修饰的碳纸电极(pani-cp)以及pani与sc共修饰的碳纸电极(pani-sc-cp)四种电极作为工作电极的bess中，待底物消耗殆尽时进行循环伏安扫描；结果如图6所示，纯碳纸电极的cv曲线并未出现任何氧化还原峰，表明碳纸电极的生物相容性较差，导致与产电菌界面间的直接电子传递(det)和间接电子传递(met)过程的效率较低；而在经蜂窝状结构的碳材料sc修饰后，sc-cp电极的cv曲线上出现了一对以-0.08v(v.s.ag/agcl)为中心的氧化还原峰和一对以-0.43v(v.s.ag/agcl)为中心的氧化还原峰，这两组峰分别对应于产电菌外膜表面的c型细胞色素以及其分泌的黄素类电子介体，表明经sc修饰后，产电菌/电极界面间的直接电子传递(det)和间接电子传递(met)过程的效率均被增强；pani-cp电极的cv曲线在-0.32v(v.s.ag/agcl)处呈现一个相对较宽且强的还原峰，在-0.18v(v.s.ag/agcl)处却呈现一个较弱的氧化峰，该对峰属于产电菌外膜表面的c型细胞色素，峰电流的增强表明经pani修饰后，det过程得以加强，同时氧化和还原峰的不对称性表明该电化学过程的不可逆性；pani-sc-cp电极的cv曲线共呈现三对氧化还原峰，其中以-0.41v(v.s.ag/agcl)以及-0.25v(v.s.ag/agcl)为中心的两对峰分别对应于产电菌的met和det过程，与sc-cp电极相比，峰电流的大小表明共负载的结果并未改变met过程的效率，但对det过程效率的促进却很明显，这可能是由于细菌生物膜与pani和蜂窝状结构sc之间的相互作用得以增强所致。

本发明对实施例3使用的碳纸电极(cp)、蜂窝状结构的碳材料修饰的碳纸电极(sc-cp)、聚苯胺纳米颗粒修饰的碳纸电极(pani-cp)以及pani与sc共修饰的碳纸电极(pani-sc-cp)进行了铁氰化钾体系下的电化学阻抗图谱的表征，结果见图7，由图7的表征结果可以看出单纯的sc或pani的负载相较于碳纸电极，已经很大程度地降低了体系的传荷阻抗，但二者的共负载又使体系统的传荷阻抗进一步降低，这正是体现了协同作用，该作用的产生将更有利于微生物的胞外电子传递。

实施例4

以实施例1为基础，仅改变热解后盐酸溶液的用量，结果见图8，图8为实施例4不同盐量处理对于蜂窝状结构的碳材料sc产电的影响。

图8是将经不同盐酸量处理后的蜂窝状结构的碳材料sc制作成电极，再用于bess系统的阳极(工作电极)，探究不同盐量处理对于蜂窝状结构的碳材料sc产电的影响。

图中所示，蜂窝状结构的碳材料sc的性能与盐酸量密切相关，当盐酸量增至200ml时，蜂窝状结构的碳材料sc的产电性能达到最优。盐酸清洗的作用是溶解热解后材料表面及内部的可溶性杂质，从而形成孔隙结构；不同盐酸量处理会影响最终sc的开孔程度，从而影响最终产电。我们推测此当盐酸量增至200ml时，材料开孔程度趋于完全，因此产电最优。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。