CN103803542A

CN103803542A - 一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯的制备方法

Info

Publication number: CN103803542A
Application number: CN201410061260.XA
Authority: CN
Inventors: 孙东平; 刘林; 杨加志; 朱春林; 范孟孟; 黄洋; 吴琪露; 陈春涛
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-02-24
Also published as: CN103803542B

Abstract

本发明公开了一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯的制备方法。首先配制电池阳极液和阴极液，在阳极接入混合细菌后组装成微生物燃料电池，使微生物燃料电池混合细菌适量增殖。用改进Hummer法制备的的氧化石墨烯在去离子水中超声分散得氧化石墨烯悬液，将其按一定比例加入到微生物燃料电池阳极液中，在厌氧条件下混合培养，微生物燃料电池混合细菌在破坏含氧官能团同时在石墨烯中引入氮元素。培养完毕，用盐酸、乙醇、去离子水洗涤、干燥得到纯净的氮掺杂石墨烯。

Description

一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别是涉及一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯的制备方法，具体指用微生物燃料电池混合细菌处理氧化石墨烯进行掺氮的方法。

背景技术

微生物燃料电池除了具有一般燃料电池高效的特点外，还兼具原料来源广泛、操作条件温和等优点。微生物燃料电池属于一种全新的生物质能利用形式。现有的研究均显示，混菌微生物燃料电池的产电能力远远大于纯菌的微生物燃料电池，这说明了混菌微生物燃料电池有更快的电子转移能力。

石墨烯是是厚度在纳米尺度的二维材料，氮掺杂是调节其半导体材料性质的重要手段。目前，制备氮掺杂石墨烯的方法主要有化学气相沉积法、氨源热处理氧化石墨烯法、氮等离子放电法、电弧放电法、氨电热反应法、溶剂热法和含氮前驱体转换法。

然而，石墨烯的制备方法普遍存在着能耗、污染的问题，例如，一种氮掺杂石墨烯的制备方法（CN102120572B），将原料氧化态石墨烯和三聚氰胺混合研磨后置于密闭惰性气体中加热以进行高温热还原和氮掺杂反应，所需反应温度700—1200℃，高温条件使成本上升；又如非金属衬底表面制备氮掺杂石墨烯的方法（CN103526182A），在非金属衬底上进行化学气相沉积制备氮掺杂石墨烯，其过程包含阶梯升温、惰性气体保护等繁琐环节；这些因素不利于氮掺杂石墨烯的量产。

发明内容

本发明的目的在于以微生物燃料电池混合细菌在厌氧条件下优良的电子的转移能力为依据，利用其将氮引入到石墨烯结构中，制备出低缺陷的氮掺杂石墨烯。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：以微生物燃料电池混合细菌在厌氧条件下优良的电子的转移能力为依据，将氮引入到石墨烯结构中，制备出低缺陷的氮掺杂石墨烯，具体步骤如下：

第一步，将改进Hummers法制备的氧化石墨烯分散都水中，超声分散，形成均匀的氧化石墨烯悬液；

第二步，配制微生物燃料电池阳极液和阴极液，在阳极接入微生物燃料电池混合细菌，组成电池后，通氮气以除去空气，在恒温培养箱中培养增殖，获得含有丰富细菌的电池阳极菌液；其中，所述的阳极液成分包括：葡萄糖，NaHCO₃, NH₄Cl, NaH₂PO₄, (NH₄)₂SO₄, KCl, CaCl₂, MnSO₄, FeCl₃, Na₂HPO₄·12H₂O, MgSO₄；阴极液成分包括：铁氰化钾，NaH₂PO₄·2H₂O, Na₂HPO₄·12H₂O, pH 为6.5-7.5；

第三步，将氧化石墨烯悬液与微生物燃料电池阳极液混合，在恒温箱中静止厌氧培养，进行生物掺氮；

第四步，将第三步的掺氮石墨烯静置，弃去上清液，加入稀盐酸超声，然后用乙醇、去离子水清洗涤至pH为中性，最后对纯净的石墨烯进行干燥。

第一步中所述氧化石墨烯悬液质量分数0.5%-5%；氧化石墨烯悬液与微生物燃料电池阳极液体积比为1:1-1:20。

第二步中所述的阳极液成分包括：葡萄糖2.0g/L, NaHCO₃ 3.13g/L, NH₄Cl 0.31g/L, NaH₂PO₄4.97g/L, (NH₄)₂SO4 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl₂ 15mg/L, MnSO₄ 20mg/L, FeCl₃ 1mg/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.93g/L, MgSO₄0.2g/L；阴极液成分包括：铁氰化钾16.5g/L, NaH₂PO₄·2H₂O 0.4g/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.0g/L。

第二步中通氮气时间为20min以上，培养温度为25-35℃。

第四步中所述稀盐酸物质的量浓度为0.1-5mol/L。

第四步中所述的干燥采用普通真空干燥或真空冷冻干燥，普通真空干燥温度为25-100℃，干燥时间2-48h；真空冷冻干燥温度为-20~ -80℃，真空度≤160Pa，干燥时间为8-10h。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）微生物燃料电池阳极混合细菌可以通过生物还原酶及电子载体的作用进行更快的电子传输，实现更快的氧化石墨烯的还原和掺氮；（2）微生物燃料电池混合细菌掺氮的石墨烯降低了石墨烯的结构缺陷，最大限度保持了石墨烯的原有优异特性；（3）微生物燃料电池混合细菌掺氮石墨烯制备石墨烯，避免了有害化学试剂的使用，同时生物法氮掺杂条件温和，提升了石墨烯的血液相溶性，有望用于生物器件。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1 是本发明一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯的制备流程图。

图2 是本发明一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯和几种物质的X射线光电子能谱对比图像（MG-1是混合细菌氮掺杂石墨烯、CGO是化学还原法制备的的石墨烯、CG是石墨烯）

图3 是本发明实施例1微生物还原制备氮掺杂石墨烯的能量色散X射线光谱，图内三张小图分别是场发射扫描电镜图像（a）和all euler orientaion mapping 图像（b, c）。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。

结合附图1，本发明一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯，由以下制备方法得到：

第二步，配制微生物燃料电池阳极液和阴极液，在阳极接入微生物燃料电池混合细菌，组成电池后，通氮气以除去空气，在恒温培养箱中培养增值，获得含有丰富细菌的电池阳极菌液；

第四步，将第三步的掺氮石墨烯静置、弃去上清液，加入稀盐酸超声，然后用乙醇、去离子水清洗至pH为中性，最后对纯净的石墨烯进行干燥。

本发明的阳极原始菌种源自南京城东污水处理厂的厌氧污泥，已经过本课题组驯化培养分离，经生理生化实验并比对伯杰细菌鉴定手册，确定该菌属于葡萄球菌属(staphylococcus)，兼性厌氧。

实施例1

第一步，制备氧化石墨烯悬液。

在1L三角瓶中加入10g氧化石墨烯，向三角瓶中加入去离子水至400mL，超声处理30min，得到分散性能较好的氧化石墨烯悬液；

第二步，组装微生物燃料电池。

配制微生物燃料电池阴极和阳极溶液各200mL，自然pH值，阳极液接种10%混合细菌种子液，组装成电池后阳极通20min N₂除去氧气，最后30℃恒温培养箱中静止厌氧培养5d。其中燃料电池阳极液成分包括：葡萄糖2.0g/L, NaHCO₃ 3.13g/L, NH₄Cl 0.31g/L, NaH₂PO₄4.97g/L, (NH₄)₂SO₄ 0.56g/L, KCl 0.13g/L, CaCl₂ 15mg/L, MnSO₄ 20mg/L, FeCl₃ 1mg/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.93g/L, MgSO₄0.2g/L；阴极液成分包括：铁氰化钾16.5g/L, NaH₂PO₄·2H₂O 0.4g/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.0g/L。

第三步，混合细菌掺氮。

将生长5d的微生物燃料电池阳极液分装至2个250mL的三角瓶，每瓶的装量100mL，每瓶氧化石墨烯悬液的装量为50mL，每瓶通入20min的N₂，以除去溶解氧。将瓶口密封，防止氧气进入，在恒温箱中静止厌氧培养5d，30℃，得到氮掺杂石墨烯粗产品。

第四步，纯化氮掺杂石墨烯粗产品。

将第三步生物还原完毕的发酵液静置，倾倒去上清液，加入1mol/L稀盐酸100mL超声20min后以10000r/min转速离心30min；倾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀，搅拌均匀，室温下静止1h，以10000r/min转速离心30min 倾去上清液，最后用去离子水洗到中性，置于真空冷冻箱中，-50℃，真空度≤160Pa，干燥时间为48h，得到纯净的石墨烯。

第五步，产品表征。

对产品进行X射线光电子能谱测试，并与化学还原的石墨烯比较，如图2所示。微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯与化学还原的石墨烯对比在400eV多出N(1s)峰，说明微生物燃料电池混合细菌将氮接入石墨烯结构。

对得到的掺杂石墨烯作能量色散X射线光谱、场发射扫描电镜和All Euler Orientaion Mapping 观察。如图3所示，可以看到氮掺杂的石墨烯中氮元素数量远远多余残余的氧元素。

实施例2

本发明一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯，包括以下步骤：

第一步，制备氧化石墨烯悬液。在1L三角瓶中加入15g氧化石墨烯，向三角瓶中加入去离子水至300mL，超声处理20min，得到分散性能较好的氧化石墨烯悬液；

第二步，组装微生物燃料电池。配制微生物燃料电池阴阳极溶液各200mL，阳极液接种10%混合细菌种子液，组装成电池后，阳极液中通入20min的N₂，在 30℃恒温培养箱中静止厌氧培养5d，其中燃料电池阳极液成分包括：葡萄糖2.0g/L, NaHCO₃ 3.13g/L, NH₄Cl 0.31g/L, NaH₂PO₄4.97g/L, (NH₄)₂SO4 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl₂ 15mg/L, MnSO₄ 20mg/L, FeCl₃ 1mg/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.93g/L, MgSO₄0.2g/L；阴极液成分包括：铁氰化钾16.5g/L, NaH₂PO₄·2H₂O 0.4g/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.0g/L。

第三步，混合细菌掺氮。将生长5d的微生物燃料电池阳极液分装至4个250mL的三角瓶，每瓶的装量50mL，每瓶氧化石墨烯悬液的装量为50mL，每瓶通入30min的N₂，以除去溶解氧。将瓶口进行密封，防止氧气进入，在恒温箱中静止厌氧培养5d，35℃，得到氮掺杂石墨烯粗产品。

第四步，纯化氮掺杂石墨烯粗产品。将第三步生物还原完毕的发酵液静置，倾倒去上清液，加入1mol/L稀盐酸100mL超声15min后以5000r/min转速离心30min；倾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀，搅拌均匀，室温下静止1h，以10000r/min转速离心30min 倾去上清液，最后用去离子水清洗沉淀直至中性，置于真空冷冻箱中，-50℃，真空度≤160Pa，干燥时间为36h，得到纯净的石墨烯。

实施例3

在1L三角瓶中加入20g氧化石墨烯，向三角瓶中加入去离子水至300mL，超声处理25min，氧化石墨烯悬液；配制微生物燃料电池阴阳极溶液各250mL，阳极液接种10%混合细菌种子液，组装成电池后阳极液中通入30min的N₂， 30℃恒温培养箱中静止厌氧培养4d，其中燃料电池阳极液成分包括：葡萄糖2.0g/L, NaHCO₃ 3.13g/L, NH₄Cl 0.31g/L, NaH₂PO₄4.97g/L, (NH₄)₂SO4 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl₂ 15mg/L, MnSO₄ 20mg/L, FeCl₃ 1mg/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.93g/L, MgSO₄0.2g/L；阴极液成分包括：铁氰化钾16.5g/L, NaH₂PO₄·2H₂O 0.4g/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.0g/L。将生长5d的微生物燃料电池阳极液分装至2个500mL的三角瓶，每瓶的装量125mL，每瓶氧化石墨烯悬液的装量为50mL,每瓶通入30min的N₂，以除去溶解氧。将瓶口进行密封，防止氧气进入，在恒温箱中静止厌氧培养5d，35℃，得到氮掺杂石墨烯粗产品，静置，倾倒去上清液，加入1mol/L稀盐酸100mL超声15min后以5000r/min转速离心30min；倾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀，搅拌均匀，室温下静止1h，以10000r/min转速离心30min 倾去上清液，最后用去离子水清洗沉淀直至中性，置于真空冷冻箱中，-50℃，真空度≤160Pa，干燥时间为20h，得到纯净的石墨烯。

实施例4

在1L三角瓶中加入10g氧化石墨烯，向三角瓶中加入去离子水至250mL,超声处理35min，氧化石墨烯悬液；配制微生物燃料电池阴阳极溶液各200mL，阳极液接种15%混合细菌种子液，组装成电池后，阳极液中通入20min的N₂，最后30℃恒温培养箱中静止厌氧培养3d，其中燃料电池阳极液成分包括：葡萄糖2.0g/L, NaHCO₃ 3.13g/L, NH₄Cl 0.31g/L, NaH₂PO₄4.97g/L, (NH₄)₂SO4 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl₂ 15mg/L, MnSO₄ 20mg/L, FeCl₃ 1mg/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.93g/L, MgSO₄0.2g/L；阴极液成分包括：铁氰化钾16.5g/L, NaH₂PO₄·2H₂O 0.4g/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.0g/L。将生长5d的微生物燃料电池阳极液分装至2个250mL的三角瓶，每瓶的装量100mL，每瓶氧化石墨烯悬液的装量为75mL,每瓶通入30min的N₂，以除去溶解氧。将瓶口进行密封，防止氧气进入，在恒温箱中静止厌氧培养5d，35℃，得到氮掺杂石墨烯粗产品，静置，倾倒去上清液，加入1mol/L稀盐酸100mL超声15min后以4000r/min转速离心20min；倾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀，搅拌均匀，室温下静止1h，以8000r/min转速离心30min 倾去上清液，最后用去离子水清洗沉淀直至中性，置于真空冷冻箱中，-50℃，真空度≤160Pa，干燥时间为24h，得到纯净的石墨烯。

Claims

1.一种微生物燃料电池混合细菌氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：以微生物燃料电池混合细菌在厌氧条件下优良的电子的转移能力为依据，在还原氧化石墨烯的同时将氮引入到石墨烯结构中，制备出低缺陷的氮掺杂石墨烯，具体步骤如下：

第二步，配制微生物燃料电池阳极液和阴极液，在阳极接入微生物燃料电池混合细菌，组成电池后，通氮气以除去空气，在恒温培养箱中培养增值，获得含有丰富细菌的电池阳极菌液；其中，所述的阳极液成分包括：葡萄糖，NaHCO₃，NH₄Cl, NaH₂PO₄, (NH₄)₂SO4 0.56g/L, Cl, CaCl₂, MnSO₄, FeCl₃, Na₂HPO₄·12H₂O, MgSO₄；阴极液成分包括：铁氰化钾，NaH₂PO₄·2H₂O, Na₂HPO₄·12H₂O，pH 为6.5-7.5；

第四步，将第三步的掺氮石墨烯静置、弃去上清液，加入稀盐酸超声，然后用乙醇、去离子水清洗涤至pH为中性，最后对纯净的石墨烯进行干燥。

2.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：第一步中所述氧化石墨烯悬液质量分数0.5%-5%；氧化石墨烯悬液与微生物燃料电池阳极液体积比为1:1-1:20。

3.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：第二步中所述的阳极液成分包括：葡萄糖2.0g/L, NaHCO₃ 3.13g/L, NH₄Cl 0.31g/L, NaH₂PO₄4.97g/L, (NH₄)₂SO4 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl₂ 15mg/L, MnSO₄ 20mg/L, FeCl₃ 1mg/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.93g/L, MgSO₄0.2g/L；阴极液成分包括：铁氰化钾16.5g/L, NaH₂PO₄·2H₂O 0.4g/L, Na₂HPO₄·12H₂O 6.0g/L。

4.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：第二步中通氮气时间为20min以上，培养温度为25-35℃。

5.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：第四步中所述稀盐酸物质的量浓度为0.1-5mol/L。

6.根据权利要求1所述的氮掺杂石墨烯的制备方法，其特征在于：第四步中所述的干燥采用普通真空干燥或真空冷冻干燥，普通真空干燥温度为25~100℃，干燥时间2-48h；真空冷冻干燥温度为-20~ -80℃，真空度≤160Pa，干燥时间为8-10h。