一种基于真菌分生孢子的碳材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于材料与能源领域，具体涉及一种基于真菌分生孢子的碳材料，还涉及该碳材料的制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]锂离子电池目前作为消费电子市场和新能源汽车领域最好的可移动储能设备，一直是化学电源研究领域的热点之一，持续吸引着世界各国的广泛关注和研究开发。与传统的化学电源如碱性锌锰电池和铅酸电池等相比，锂离子电池具有电压高、比能量高、自放电率低、循环性能好等优点，电极是锂离子电池的核心部件，而电极材料的优劣是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素，研究高性能电极材料对高性能锂离子电池的研究和应用具有重大意义。
[0003]碳材料由于其良好的导电性能、热稳定性、化学稳定性、较高的耐腐蚀性、高温状态下的高强度、自润滑性等而被广泛的应用于冶金、航天、医疗、能源、环保等领域。碳材料也是目前主流的商业化锂电池的负极材料。碳在自然界储量丰富，来源广泛。作为锂离子电池负极材料,碳材料主要具有以下优点:比容量高(200-400mAh/g)，工作电位低且平稳(<1.0V vs.Li+/Li+)，循环效率高，使用寿命长，安全性能好，自放电小，成本低，无污染等。
[0004]分生孢子是真菌的生长周期之一，真菌在固体培养基中培养时，可产生分生孢子。在低倍显微镜下观察可见分生孢子头呈疏松放射状，分生孢子呈球形或近球形，大小为3.5?5微米。真菌的分生孢子具有制备简单，制备的设备要求低，成本低廉等许多其他碳材料所不具备的优点。但是，目前以真菌分生孢子作为原料，制备球形微米碳材料并将其作为电极材料，至今未见有关报道。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于真菌分生孢子的碳材料，目的之二在于提供该碳材料的制备方法，目的之三在于提供一种锂离子电池，目的之四在于提供一种生物传感器，目的之五在于将该碳材料在电化学中的应用。
[0006]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]1、基于真菌分生孢子的碳材料，所述碳材料由真菌分生孢子经固定、脱水、退火制得。
[0008]进一步，所述固定为将真菌分生孢子使用体积分数为2-5%的戊二醛固定。
[0009]进一步，所述脱水为将固定的真菌分生孢子进行乙醇溶液梯度脱水、抽滤，过夜干燥。
[0010]进一步，所述退火为将脱水后的真菌分生孢子在氮气气氛、温度为600-900 V条件下处理2-4h。
[0011]2、所述基于真菌分生孢子的碳材料的制备方法，包括如下步骤:
[0012](I)将黄曲霉接种于马铃薯葡萄糖琼脂固体培养基中培养至孢子颜色变为深褐色，收集真菌孢子，得真菌分生孢子；
[0013](2)将步骤(I)获得的真菌分生孢子固定，然后过滤，收集真菌分生孢子，接着将固定的真菌分生孢子脱水，最后在氮气氛、温度为600-900°C的条件下退火处理2-4h，得到基于真菌分生孢子碳材料。
[0014]进一步，步骤(I)中，所述收集真菌孢子的方法是将乙醇滴入培养真菌的固体培养基中，边滴加边缓慢摇动，待孢子随乙醇流动加毕，乙醇溶液即为收集的孢子溶液，然后将收集的孢子溶液转移至烧杯中，过滤，灭菌，得真菌分生孢子。
[0015]进一步，步骤(2)中，所述固定为将真菌分生孢子使用体积分数为2-5%的戊二醛固定；所述脱水为将固定的真菌分生孢子采用乙醇溶液梯度脱水、抽滤，过夜干燥；所述退火为将脱水后的真菌分生孢子在氮气气氛、温度为600-900°C条件下处理2-4h。
[0016]优选的，所述固定为将真菌分生孢子使用体积分数为4%的戊二醛固定；所述脱水为将固定的真菌分生孢子依次用体积分数为10%、30%、50%、70%、90%和100%的乙醇溶液梯度脱水、抽滤，过夜干燥；所述退火为将脱水后的真菌分生孢子在氮气气氛、温度为800°C条件下处理4h。
[0017]3、一种锂离子电池，所述锂离子电池的电极负极中含有所述基于真菌分生孢子的碳材料。
[0018]4、一种生物传感器，所述生物传感器的电极中含有所述的基于真菌分生孢子的碳材料。
[0019]5、所述基于真菌分生孢子的碳材料在电化学中制备电极的应用。
[0020]本发明的有益效果在于:本发明首次利用生物材料分生孢子制备微米碳材料，该方法具有如下优点:(I)制备碳材料的原料分生孢子非常容易获取，仅需要固体培养基培养真菌即可得到，设备成本低；(2)分生孢子呈球形，体积小，质量轻，较其他碳材料更加轻便，是一种非常好的碳材料；⑶孢子退火后，比表面积非常大，可达250?400m2/g，因此具有更好的性能。本发明还将制备的分生孢子碳材料用于锂离子电池，并进行了循环伏安，电化学阻抗，循环稳定性，倍率稳定性等一系列测试，均得到优异的电化学性能，表明该方法得到的碳化孢子是一种良好的锂离子电池负极材料。本发明产率高，制作方法简便，制作成本低廉，所制作的电极导电性能好，在电化学上具有很大的潜在应用。
【附图说明】
[0021]为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明:
[0022]图1为由分生孢子制备碳材料过程示意图。
[0023]图2为未进行退火处理(A，B)和经过退火(C，D)处理分生孢子的扫描电子显微镜照片。A为退火前的孢子扫描电镜图，B为退火前的孢子放大扫描电镜图，C为退火处理的孢子扫描电镜图，D为退火处理的孢子放大扫描电镜图。退火处理的条件为在600-900°C下处理2-4h。
[0024]图3为未退火和退火孢子的X射线衍射图。
[0025]图4为未退火和退火孢子傅里叶变换红外反射谱图。
[0026]图5为退火后孢子作为负极材料的锂电池电化学数据图。
[0027]图6为退火后孢子碳材料作为电极材料用于甘油三酯检测的结果图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。优选实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照试剂制造厂商所建议的条件进行。
[0029]实施例1、基于真菌分生孢子的碳材料的制备方法
[0030]为了获得最佳的基于真菌分生孢子的碳材料，以下采用两种方法对真菌分生孢子进行处理，再对得到的基于真菌分生孢子的碳材料进行性能分析，以确定最佳的制备方法。
[0031]方法1:采用退火法制备基于真菌分生孢子碳材料，具体的操作步骤如下，其制备流程如图1所不:
[0032](I)真菌分生孢子的制备
[0033]将黄曲霉接种于马铃薯葡萄糖琼脂固体培养基中，具体操作方法为:使用接种环，接取孢子13?10 4个进行划板，然后在温度为30°C，湿度为60%的条件下3-9天待孢子颜色变为深褐色时，将乙醇滴入固定培养基中，边滴加边缓慢摇动，待孢子随乙醇流动加毕，乙醇溶液即为收集的孢子溶液，然后将收集的孢子溶液转移至烧杯中，过滤，在进行高压灭菌，得真菌分生孢子。其中马铃薯葡萄糖琼脂固体培养基的配方为:马铃薯200g(去皮，切成块加水，121°C灭菌煮沸30min，用纱布过滤，收集滤液)，葡萄糖20g，琼脂20g，水100mL,0.1g氯霉素。
[0034](2)基于真菌分生孢子碳材料的制备
[0035]将步骤(I)获得的真菌分生孢子用体积分数为4%的戊二醛固定孢子结构，然后过滤，收集真菌分生孢子,接着将收集的真菌分生孢子依次用体积分数为10%、30%、50%、70%、90%和100%的乙醇溶液梯度脱水各一次，每次20min，再将脱水后的真菌分生孢子进行抽滤，室温下(5-35°C)干燥过夜；最后在氮气气氛下，温度为800°C的条件下退火处理4h得到基于真菌分生孢子碳材料。
[0036]或者将步骤(I)获得的真菌分生孢子用体积分数为2%的戊二醛固定孢子结构，然后过滤，收集真菌分生孢子，接着将收集的真菌分生孢子依次用体积分数为30%、50%、70%、90%乙醇溶液梯度脱水各一次，100%乙醇脱水两次，每次20min，再将脱水后的真菌分生孢子进行抽滤，室温下(5-35°C)干燥过夜；最后在氮气气氛下，温度为900°C的条件下退火处理2h得到基于真菌分生孢子碳材料。
[0037]亦或者将步骤(I)获得的真菌分生孢子用体积分数为5%的戊二醛固定孢子结构，然后过滤，收集真菌分生孢子，接着将收集的真菌分生孢子依次用体积分数为10%、30 %、50 %、70 %、90 %和100 %的乙醇溶液梯度脱水各一次，每次20min，再将脱水后的真菌分生孢子进行抽滤，室温下(5_35°C)干燥过夜；最后在氮气气氛下，温度为600°C的条件下退火处理4h得到基于真菌分生孢子碳材料。
[0038]方法2:采用非退火法制备基于真菌分生孢子碳材料，具体的操作步骤如下:
[0039]