CN109312370A - 从由工业生物膜处理收获的底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括以下步骤的方法：在工业生物膜处理中培养底栖羽纹硅藻，其中在所述工业生物膜处理中，所述底栖羽纹硅藻生长在包含水的隔室中的至少一个表面上，且其中所述底栖羽纹硅藻在所述至少一个表面上形成生物膜；从所述至少一个表面上收获所述底栖羽纹硅藻；并通过将所述硅藻壳与包含在所述底栖羽纹硅藻中的有机生物质分离来提取所述硅藻壳。

Description

从由工业生物膜处理收获的底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳
发明技术领域
本发明涉及从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳，所述底栖羽纹硅藻是已由工业生物膜处理收获的；并且涉及从底栖羽纹硅藻中提取的这类硅藻壳的用途。
发明背景
硅藻(Diatoms)是一种类型的藻类，在淡水和海洋环境中均存在，包含具有高二氧化硅含量的硅藻壳(frustule)。硅藻壳是可用于各种应用中的纳米多孔二氧化硅材料的来源。硅藻不仅是硅的储藏物，而且它们的化石形式还作为石油、煤和磷的储藏物。此外，硅藻产生我们每天呼吸的大量氧气。
有多种不同类型的硅藻，并且通常根据它们的大小和/或形状以及它们在水中的生存环境对它们进行分类。
有许多硅藻的硅藻壳用于各种应用的实例。例如Chen等人(Scientific Reports2015，DOI：10.1038/srep11977)显示了硅藻的硅藻壳的光捕获效应如何可用于提高太阳能电池的功率转换效率。进一步地，US 2015/0338403 A1给出了硅藻的硅藻壳和金属涂层的组合物。US 2015/0367322 A1描述了形成硅藻基的纳米复合物的方法。此外，Lim等人(J.Appl.Phys.2015，27，763，DOI：10.1007/s10811-014-0356-9)描述了来自硅藻的硅藻壳如何可用于蛋白质吸收。
有必要提高现有技术水平以提供大量高品质的硅藻的硅藻壳，从而允许在许多不同的应用中使用从硅藻中提取的硅藻壳，这些应用例如为太阳能电池、生物传感器、复合材料和/或隔音。
发明内容
本发明的一个目的是提高现有技术的当前水平，并至少缓解上面提到的问题。通过从已由工业生物膜处理收获的底栖羽纹硅藻(benthic pennate diatoms)中提取的硅藻壳以及从底栖羽纹硅藻中提取的这类硅藻壳的用途，这一目的及其它目的得以实现。
本发明人认识到从通过工业生物膜处理培养的底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳可用于各种应用，举例如通过例如光捕获性质吸收能量、化学物质和/或机械波。例如，由于硅藻壳的光捕获性质，硅藻壳可用于提高太阳能电池的效率。在工业生物膜处理中，底栖羽纹硅藻生长在水隔室中的表面上，且其中从所述表面上收获所述底栖羽纹硅藻。
根据本发明的第一方面，提供了从底栖羽纹硅藻中提取硅藻壳的方法。所述方法包括以下步骤：
-在工业生物膜处理中培养底栖羽纹硅藻，其中在所述工业生物膜处理中，所述底栖羽纹硅藻生长在包含水的隔室中的至少一个表面上，且其中所述底栖羽纹硅藻在所述至少一个表面上形成生物膜；
-从所述至少一个表面上收获所述底栖羽纹硅藻；
-通过将所述硅藻壳与包含在所述底栖羽纹硅藻中的有机生物质分离来提取所述硅藻壳。
本发明基于这样的认识，即工业生物膜处理提供了用以生长和收获所需种类的底栖羽纹硅藻的受控方式，其将会提供具有特定性质的硅藻壳。与从海洋环境中和/或从淡水湖中收获底栖羽纹硅藻相比，在工业生物膜处理中培养底栖羽纹硅藻有利于收获这类底栖羽纹硅藻。此外，在工业生物膜处理中培养的底栖羽纹硅藻的纯度高于来自海洋环境和/或来自淡水湖的底栖羽纹硅藻的纯度。用于培养底栖羽纹硅藻的工业生物膜处理将会确保从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的高且均匀的质量。
硅藻，例如底栖羽纹硅藻，生长的速度可分为三个阶段，即其中硅藻缓慢生长的第一阶段、其中硅藻呈指数生长的第二阶段和生长已停滞或几乎停止的第三阶段。硅藻处于哪个阶段取决于某一种群中的硅藻的大小或浓度。工业生物膜处理的规模允许提供第二阶段的硅藻，因此可以实现底栖羽纹硅藻的最快生长。根据一种理论，在较小的水隔室中培养硅藻可能提供仅是或主要是第一阶段的硅藻，因此硅藻的生长可能较慢。
底栖羽纹硅藻可具有比其它硅藻更厚的硅藻壳，这使得它们比来自其它硅藻的硅藻壳更耐用。换言之，底栖羽纹硅藻比其它硅藻更重度硅化。相比于中心硅藻，羽纹硅藻也更容易在工业上以更大规模培育，这主要是因为它们不需要有性繁殖的事实。相比于中心硅藻，羽纹硅藻生长更快，这使得它们更适合于大规模化的生产。底栖羽纹硅藻的硅藻壳构成硅藻的大约15％与30％之间，远远超过浮游(悬浮生存的)羽纹硅藻和中心硅藻，这使得来自底栖羽纹硅藻的硅藻壳在提取处理下更耐用。换言之，底栖羽纹硅藻的硅藻壳比起来自其它类型硅藻的硅藻壳来，由于硅藻壳的厚度原因，在提取处理期间不大可能开裂或破裂。因此，硅藻壳的结构在其处理或使用下可得以保持。
应该理解的是，底栖意指所要求的硅藻生活在水生软和硬底部基质上和/或水生软和硬底部基质(bottom substrates)中，包括冰。例如，底栖羽纹硅藻可生长在石头上、底部沉积物中或被水覆盖的其它表面上。底栖羽纹硅藻不是悬浮生存的硅藻。进一步地，应当理解的是，羽纹意指要求保护的硅藻是双侧对称的。
根据至少一个示例性实施方案，工业生物膜处理是水平生物膜处理，即底栖羽纹硅藻生长在其上的表面是水平表面。
应当理解的是，术语“水平表面”是指包括基本上平行于地平线的平面的表面，即该表面以水平方式具有主延伸。水平表面可基本上正交于垂直表面。
根据至少一个示例性实施方案，底栖羽纹硅藻在培育期间在水-隔室中的表面上形成生物膜。生物膜可以例如是静止生物膜。另外或可替代地，可以在循环的水平表面的顶部上培育由底栖羽纹硅藻形成的生物膜。
根据本发明的至少一个实施方案，在二次(quadratic)或矩形表面上培养底栖羽纹硅藻。表面可例如为1*1m(即1m*1m或1m2)或至少1m2。
根据至少一个示例性实施方案，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面的宽度可以为至少0.5m或0.75m或1m或1.5m。根据本发明的至少一个示例性实施方案，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面的宽度可不长于3m或2m或1.5。换句话说，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面的宽度在0.5-3m或0.75-2m或1-2m的间距内。
根据至少一个示例性实施方案，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面的长度为至少0.5m或1m或2m或3m或5m。根据至少一个示例性实施方案，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面的长度不长于10m或8m或7m或6m或5。换句话说，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面的长度可在0.5-10m或1-7m或1-6m的间距内。据此提供表面的所需尺寸。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可以将若干个在其上培养底栖羽纹硅藻的表面彼此堆叠，使得底栖羽纹硅藻被培养在水隔室内的不同高度上。按这种方式，在同一水隔室内得以增加可供用于培养底栖羽纹硅藻的表面面积。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，工业生物膜处理包括可彼此堆叠或并排放置的若干个包含水的隔室。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可将若干个表面彼此连接，从而获得更大的表面。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面可以为不同于二次或矩形表面的任何其它几何形状。其可例如为三角形或圆形。另外或可替代地，在其上培养底栖羽纹硅藻的表面可以为星形。
根据至少一个示例性实施方案，包含水的隔室是池。换言之，所述方法包括在池或盆中培养底栖羽纹硅藻的步骤。根据至少一个示例性实施方案，所述池是浅池，其中水的深度为至少0.2m或至少0.3m或至少0.5m或至少1m。另外或可替代地，所述池中水的深度不超过2m或不超过1m或不超过0.5m。例如，水的深度可以为0.2-2m或0.3-1m。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，用于培育底栖羽纹硅藻的表面布置在其中的水-隔室可包含至少2L水或5L水或10L水或至少20L水或至少30L水。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，在已由工业生物膜处理收获底栖羽纹硅藻后，从底栖羽纹硅藻的有机生物质中提取硅藻壳。换言之，从已在其上培养底栖羽纹硅藻的表面上收获它们，并然后将有机生物质从硅藻壳中随后移除。换句话说，在已从在其上培养底栖羽纹硅藻的表面上收获它们后，分离硅藻壳和底栖羽纹硅藻的有机生物质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可经由煅烧处理提取硅藻壳。在这种处理中，将底栖羽纹硅藻加热，直到硅藻的有机生物质被烧掉，留下硅藻壳。另外或可替代地，可通过使用过氧化氢移除有机生物质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，煅烧处理的温度不高于450℃。保持温度低于此温度可阻止硅藻壳的蚀刻。换言之，保持温度低于450℃允许保持硅藻壳的厚度和/或结构。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，工业生物膜处理包括向水隔室中提供底栖羽纹硅藻。随后可给水隔室提供营养水。换言之，所述方法可包括在包含水的隔室中培养底栖羽纹硅藻的步骤，所述包含水的隔室包含营养水。营养水使得底栖羽纹硅藻可能在提供于水隔室中的表面上生长。根据至少一个示例性实施方案，在预定时间后收获底栖羽纹硅藻。所述时间有多长取决于若干参数，如光强度。术语营养水在此应被理解为主要包含氮(N)和磷(P)的水，所述氮例如以NO3的形式添加，所述磷例如以PO4的形式添加。
营养水中氮(N)的浓度为0.01-500g/m3，或优选为25-250g/m3。磷(P)的浓度为0.01-100g/m3或2-20g/m3。氮和/或磷以生物可利用的形式溶解在水中。氮和磷的量可影响硅藻的生产率，并从而影响工业生物膜处理的效率。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可从养鱼场接收营养水。另外或可替代地，营养水可获自废水，所述废水来自例如食品产业、生物质相关产业或家庭。另外或可替代地，可通过向海水或淡水中添加氮和磷以及藻类生长所必需的其它营养物质而获得营养水。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，所述方法进一步包括向所述包含水的隔室中的水中添加硅化合物的步骤，例如添加Na2SiO3·5H2O或Na2SiO3·9H2O，使得硅(Si)在所述包含水的隔室中的水中的浓度在0.01-100g/m3的范围内。更优选地，硅(Si)在包含水的隔室中的水中的浓度为1.5-15g/m3。当这些化合物溶解在水中时，形成硅酸Si(OH)4。硅的添加量影响硅藻壳的厚度。太多的硅化合物可产生氧化硅沉淀。氧化硅沉淀可降低提取的硅藻壳的纯度。
根据本发明的至少一个实施方案，氮、磷和硅之间的比例为16∶1∶15。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从所使用的底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳是从新鲜的底栖羽纹硅藻中提取的。这意味着硅藻壳不是化石硅藻壳。已从新鲜的底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳具有比化石硅藻壳更高的孔隙度。此外，从新鲜的底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳纯度高于化石硅藻壳。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，使用从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳，其中从底栖羽纹硅藻中提取的所述硅藻壳是在液体介质中和/或作为干产品提供的。换言之，所述方法包括在液体介质中和/或作为干产品提供所述硅藻壳的步骤。根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳是在液体介质中提供的。可例如作为溶液、作为悬浮液、作为分散液和/或作为凝胶提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，液体介质可以是各种类型的溶剂，例如水。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可以向其中提供底栖羽纹硅藻的液体介质中添加一种或多种另外的物质。这些物质可以是例如聚合物。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为干产品提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。这类干产品的实例有粉末和/或气凝胶。气凝胶是其中流体介质从液体变为气体的凝胶。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为干产品提供的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳可用在复合物中，其中从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳与另一种材料混合。这种材料的实例可例如是聚合物和/或金属。根据本发明的至少一个示例性实施方案，可在太阳能电池或太阳能板的顶部上提供所述复合物。可以理解的是，术语“复合物”在此是指复合材料，即由具有不同物理或化学性质的两种或更多种组成材料制成的材料，当组合时产生具有与各组分不同的特性的材料。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，采用涂布方法将在液体介质中提供的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳沉积在表面上。根据至少一个示例性实施方案，液体介质是包含所述硅藻壳的聚合物溶液。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，选择采用的涂布方法包括但不限于：刮涂、旋涂、辊涂、丝网印刷、喷涂和浸涂。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，在液体介质中提供的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳可采用上述及其它涂布方法以单层或以位于彼此顶部的若干层提供。层数可取决于应用。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可以在厚度在1μm至1000μm范围内或更优选在1μm至100μm之间的层中提供在液体介质中提供的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳用于吸收能量、化学物质和/或机械波。换言之，所述方法进一步包括使用从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳用于吸收能量、化学物质和/或机械波的步骤。
应该理解的是，“吸收能量、化学物质和/或机械波”意指硅藻壳捕获或捕集或吸收能量、化学物质和/或机械波。例如，能量的吸收可以是光的捕获，即例如相比不使用这类硅藻壳增强光吸收。此外，应该理解的是，可通过硅藻壳运输或引导能量、化学物质和/或机械波。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，能量、化学物质和/或机械波的吸收使得从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳可用于许多应用。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，能量的吸收可自从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳中被释放。根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳由于能够吸收和释放能量而可用在能量储存应用中。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，能量是辐射。辐射可以是热和/或光。光可包括红外范围、可见范围和/或紫外范围内的波长。根据本发明的至少一个示例性实施方案，化学物质是例如水和/或蛋白质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，机械波是声波。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳捕获对应于红外范围内、可见范围内和/或紫外范围内的波长的能量，且其中所述能量的吸收用于提高太阳能电池的效率。换言之，所述方法包括使用从底栖羽纹硅藻中提取的所述硅藻壳吸收红外范围内、可见范围内和/或紫外范围内的能量的步骤，且其中所述能量的吸收用于提高太阳能电池的效率。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，硅藻壳可调节已被吸收的光，使得光的光谱性质改变。换言之，硅藻壳可改变已被捕集或捕获的光的波长。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，所述硅藻壳的漏斗状结构可调节光的光谱性质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳是由若干层纳米多孔二氧化硅，即硅石(silica)，构建而成的。例如，层数可以是2层或3层或4层。纳米多孔意指二氧化硅层包含直径在10-500nm范围内或在20-300nm范围内或在30-200nm范围内的孔。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，硅藻壳的不同层的孔可具有不同的尺寸。通常，顶层包含最大的孔，而最低层包含最小的孔。不同层的孔的尺寸通常会在各层中减小，这种减小从顶层开始，并穿过多层移动到最低层。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，硅藻壳或硅藻壳的层越厚，硅藻壳内提供的孔就越长。孔越长，例如光的吸收就越好。底栖羽纹硅藻的厚硅藻壳使它们在太阳能电池应用中有广阔前景。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，硅藻壳的不同层的孔形成漏斗状结构，其允许有效地吸收光并增加光的强度。应该理解的是，这种漏斗状结构可以是通过保持煅烧温度低于450℃而得以保持的结构之一。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳吸收反射到从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的孔当中的光。换言之，硅藻壳可用于吸收先前已由其自身反射的光。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，底栖羽纹硅藻的硅藻壳比浮游羽纹硅藻的硅藻壳厚。这意味着由底栖羽纹硅藻的硅藻壳进行光的吸收比起由来自悬浮生存的硅藻的硅藻壳进行光的吸收，光的吸收可能更多。此外，底栖羽纹硅藻的硅藻壳比中心硅藻的硅藻壳厚。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为太阳能板的顶部上的层提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。太阳能电池的选择可包括但不限于列表：硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池、薄膜太阳能电池、基于聚合物的太阳能电池。根据本发明的至少一个示例性实施方案，可将从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳提供在太阳能电池内部的活性层(activelayer)中。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为所述太阳能电池或所述太阳能板的顶部上的层提供硅藻壳，使得入射光在到达所述太阳能电池和/或太阳能板之前穿过硅藻壳的所述层，和/或由硅藻壳的所述层朝所述太阳能电池和/或太阳能板引导入射光。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，太阳能电池和/或太阳能板是基于硅的太阳能电池和/或太阳能板。应该理解的是，基于硅的太阳能电池是其中活性层包含硅的太阳能电池，即硅是光吸收材料。同样，基于硅的太阳能板是其中活性层包含硅的太阳能板。换言之，所述方法包括将所述硅藻壳沉积在基于硅的太阳能电池和/或太阳能板的顶部上的步骤。
换言之，所述方法包括将从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳沉积在基于硅的太阳能电池的顶部上的步骤，其中沉积所述硅藻壳，使得入射光在到达所述太阳能电池和/或所述太阳能板的活性层之前穿过硅藻壳的所述层。
根据至少一个示例性实施方案，基于硅的太阳能电池和/或太阳能板包含结晶硅，例如单晶硅或多晶硅。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，太阳能电池可以是单结太阳能电池或多结太阳能电池。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，硅藻壳被提供作为太阳能电池或太阳能板的顶部上的单层或若干层。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，单层部分或完全地覆盖表面。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳覆盖所述基于硅的太阳能电池或太阳能板的表面的不超过20％或不超过15％或不超过10％。可替代地或另外，硅藻壳覆盖所述基于硅的太阳能电池或太阳能板的表面的至少2％或至少3％或至少5％。例如，硅藻壳可覆盖太阳能电池或太阳能板的表面的2-20％或3-10％。
根据一替代实施方案，硅藻壳可覆盖所述基于硅的太阳能电池或太阳能板的表面的高达100％，例如它们可覆盖基于硅的太阳能电池的表面的至少50％或至少60％或至少70％或至少80％或至少90％。例如，可用打印技术提供硅藻壳，例如喷墨打印、3D打印和/或生物打印，其即使在较高的表面覆盖率下也可按这样的方式提供硅藻壳，即它们不会彼此覆盖。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，硅藻壳的孔的漏斗状结构有效地捕集光，并将其朝太阳能电池或太阳能板的表面引导，从而提高太阳能电池或太阳能板的效率。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，将所述硅藻壳与第二材料混合。第二材料可例如是二氧化钛。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，太阳能电池或太阳能板是染料敏化太阳能电池或太阳能板。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，硅藻壳被提供作为活性层的一部分，例如，与例如所述染料敏化太阳能电池或太阳能板的二氧化钛混合。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，提供在太阳能电池的顶部上的层充当抗反射层，因此与没有底栖羽纹硅藻层的太阳能电池相比，更多的光可以被太阳能电池转换为电。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可以在太阳能电池的活性层中提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。活性层可以是太阳能电池的光吸收层。活性层可例如包含半导电聚合物、半导电小分子和/或染料分子。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳吸收作为声波的机械波，并且声波的吸收用于隔音。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳可用于例如建筑物中的隔音，例如墙壁、天花板或地板中的隔音。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳吸收化学物质，且其中所述化学物质的吸收可用在生物传感器中。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，化学物质可例如是水和/或蛋白质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的所述硅藻壳以受控的方式释放吸收的化学物质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，受控释放意指已被底栖羽纹硅藻吸收的化学物质，例如水和/或蛋白质，被释放出来。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳用于隔热。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为气凝胶提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。气凝胶形成底栖羽纹硅藻的多孔层。此层由于层内有空气而不导热，因而此层可用作隔热层。根据本发明的至少一个示例性实施方案，由气凝胶形成的隔热层比其它隔热层通常要薄。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为干粉末提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。
其中所述干粉末与第二材料混合，形成复合材料。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，复合材料用于轻质产品。获得轻质产品可归因于高的强度与重量比。
根据本发明的第二方面，提供了从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳在太阳能电池和/或太阳能板中的用途。
本发明的这个第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明构思的第一方面所述的情况。涉及本发明的第一方面提到的实施方案在很大程度上与本发明的第二方面相容。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，可根据如按照本发明的第一方面所述的方法从底栖羽纹硅藻中提取所述硅藻壳，其中根据如上所述的方法培养所述底栖羽纹硅藻。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，所述太阳能电池和/或太阳能板是基于硅的太阳能电池和/或太阳能板。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为所述太阳能电池和/或所述太阳能板的顶部上的层提供硅藻壳，使得入射光在到达所述太阳能电池和太阳能板之前穿过所述硅藻壳的层。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，太阳能电池或太阳能板是染料敏化太阳能电池或太阳能板。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，将硅藻壳与二氧化钛混合，并作为所述染料敏化太阳能电池或太阳能板的活性层的一部分提供。
根据本发明的替代方面，提供了从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。已通过工业生物膜处理培养底栖羽纹硅藻，其中所述底栖羽纹硅藻生长在水隔室中的表面上，且其中从所述表面上收获所述底栖羽纹硅藻
本发明的这个替代方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明构思的第一和第二方面所述的情况。涉及本发明的第一和第二方面提到的实施方案在很大程度上与本发明的这个替代方面相容。
根据至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳用于各种应用。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，在液体介质中和/或作为干产品提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，采用涂布方法将在液体介质中提供的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳沉积在表面上。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳用于吸收能量、化学物质和/或机械波。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳吸收对应于红外范围内、可见范围内和/或紫外范围内的波长的能量，且
其中所述能量吸收用于提高太阳能电池的效率。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳吸收作为声波的机械波，并且声波的吸收用于隔音。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳吸收化学物质，且其中所述化学物质的吸收可用在生物传感器中。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的所述硅藻壳以受控的方式释放吸收的化学物质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳用于隔热。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，作为干粉末提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳，且其中将所述干粉末与第二材料混合，形成复合材料。一般地，除在本文中明确另有定义外，权利要求中使用的所有术语要根据它们在技术领域中的普通含义来解释。除明确另有说明外，所有提及的“一个/一种/所述元件、装置、部件、方法、步骤等”要以开放的方式解释为指所述元件、装置、部件、方法、步骤等的至少一个实例。
附图说明
结合附图，通过参考以下对本发明优选实施方案的说明性和非限制性详细描述，可以更全面地理解本发明的上述目标以及另外的目标、特征和优点，其中：
图1a是按照本发明的至少一个实施方案的底栖羽纹硅藻的显微照片；
图1b是按照本发明的至少一个实施方案从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的SEM图像；
图2显示涂有根据本发明的至少一个实施方案的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的表面的截面视图；
图3显示按照本发明的至少一个实施方案的含有从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的复合物的截面视图。
图4显示按照本发明的至少一个示例性实施方案从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的示意截面视图。
附图详述
在本详细描述中，讨论了从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的实施方案及其用途。应该注意的是，这决不是限制本发明的范围，本发明的范围也适用于其它情况，例如附图中所示的实施方案以外的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的其它类型或变型的情况。进一步地，结合本发明的实施方案提到特定的部件并不意味着那些部件不能与本发明的其它实施方案一起有利地使用。
根据本发明从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳可有利地用于若干应用。工业生物膜处理提供了受控方式来生长和收获由其提取硅藻壳的所需种类的底栖羽纹硅藻。
图1a显示已通过工业生物膜处理培养的底栖羽纹硅藻。底栖羽纹硅藻生长在水隔室中的表面上，并且从所述表面上收获底栖羽纹硅藻。在液体介质中和/或作为干产品提供所述底栖羽纹硅藻。
图1b显示从所述底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳。根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳用于吸收能量、化学物质和/或机械波。
图2显示在液体介质中提供并通过采用涂布方法沉积在表面220上的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳210的截面视图。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，在液体介质中提供从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳210。用涂布方法将从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳沉积在表面220上，所述涂布方法的选择包括但不限于列表：刮涂、旋涂、辊涂、丝网印刷、喷涂和浸涂。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，将从底栖羽纹硅藻中提取的这类硅藻壳210沉积在表面220上可用于吸收对应于红外范围内、可见范围内和/或紫外范围内的波长的能量。这可例如用于提高太阳能电池的效率。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，将从底栖羽纹硅藻中提取的这类硅藻壳210沉积在表面220上用于吸收是声波的机械波，并且声波的吸收用于隔音。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的这类硅藻壳210用于吸收化学物质220，且其中所述化学物质的吸收可用在生物传感器中。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，从底栖羽纹硅藻中提取的所述硅藻壳以受控的方式释放吸收的化学物质。
根据本发明的至少一个示例性实施方案，将从底栖羽纹硅藻中提取的这类硅藻壳210沉积在表面220上用于隔热。
图3显示复合材料300，其中作为干粉末提供的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳310已与第二材料混合，形成复合材料320。
技术人员会认识到，在不脱离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，有可能对这里所述的实施方案进行多种修改。
图4显示从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳400的截面视图。硅藻壳包括若干层，在图4中是三层。不同的层包含不同尺寸的孔410，420，430。在此，最下层包含较小的孔430，而顶层包含最大的孔410。中间层包含尺寸在最下层与顶层的孔410，430之间的孔420。孔410，420，430形成漏斗状结构，其可用于吸收能量(例如光)、机械波和/或化学物质。硅藻壳400的厚度或不同层的厚度限定孔的尺寸。
实施例1太阳能电池应用
方法：
·TEC15玻璃用于所有工作电极。所有电极都是在相同的条件和设置下丝网印刷并烧结的。
·在所有混合电池中均采用1∶50(硅藻壳∶二氧化钛)的比例，所述混合电池含有来自底栖羽纹硅藻的硅藻壳的那些和含有来自化石硅藻的那些。
·D35用作染料，且含有离子液体的标准碘化物电解质用作所有电池的电解质(MPN作为溶剂)。
·在350-800nm之间进行入射光子-电流效率(IPCE)测量，且对每个系列测量三个电池。
结果：
根据入射光子-电流效率(IPCE)测量，具有与二氧化钛混合的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的染料敏化太阳能电池性能比仅具有二氧化钛的参考染料敏化太阳能电池好。具有与二氧化钛混合的来自化石硅藻的硅藻壳的太阳能电池性能类似于参考染料敏化太阳能电池。
平均来说，相对于参考染料敏化太阳能电池，具有从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的太阳能电池比参考染料敏化太阳能电池性能好大约60％，具有来自化石硅藻的硅藻壳的太阳能电池比参考染料敏化太阳能电池性能好9％。
实施例2太阳能电池应用
方法
商业太阳能电池(BP Solar 0.446W多晶硅光伏太阳能板)用于所有测试。“按原样”测量太阳能电池性能作为参考。为了获得稳定单层的涂层，对电池表面进行等离子体清洁(氧等离子体)，并在70℃下经由气相沉积((3-氨基丙基)三乙氧基硅烷，APTES)用氨基-硅烷单层进行处理。用相同批次的NSFD粉末(批次3C)进行太阳能板上的所有沉积测试。通过称量0.06g煅烧粉末并将其分散在TritonX100在milliQ水中的1wt％溶液30mL中来制备0.2wt％的NSFD分散液。将此置于磁力搅拌下过夜。其后，将分散液以2.5krpm；(1467g)离心2分钟，并用新鲜的milliQ水置换上清液。重复此过程，并将最终的milliQ分散液标记为Disp.A。将Disp.A的等分试样稀释到0.01wt％(Disp.B)。在乙醇中制备NSFD粉末的另一分散液，浓度为0.1wt％(Disp.C)。通过以下方式涂布太阳能电池表面，即添加5mL分散液以覆盖整个表面，并允许静置2小时。其后排出分散液，并用溶剂冲洗表面。将太阳能电池在50℃下干燥。用压缩N2流喷射除去干粉末的任何残留碎片。这样得到分散液的单层，颗粒密度取决于用于涂布的分散液。作为对照样品，对太阳能电池进行等离子体清洁，用APTES单层进行处理，然后使用纯溶剂代替NSFD分散液，接着烤箱烘干。由电池4、电池6和电池8的显微镜图像的图像分析，我们发现分散涂层的覆盖率为7.8％，中间涂层的覆盖率为31.1％，且致密涂层的覆盖率为79.4％。
总结
概括地说，当在相同的输入光功率下测量时，涂有最少分散涂层的电池的1-V数据显示，与涂布前的输出功率相比，涂布后输出功率提高3.7％。NSFD颗粒覆盖表面面积的约7.8％。当比较涂布前后性能时，较致密的涂层显示输出功率的提高可忽略不计(中间涂层为0.3％，致密涂层为-0.7％)。由于作为灯辐照度的输入功率是被调节为相等的，因此输出功率的这种差异对应于电池性能效率的差异。

Claims (15)

1.一种方法，包括以下步骤：
-在工业生物膜处理中培养底栖羽纹硅藻，其中在所述工业生物膜处理中，所述底栖羽纹硅藻生长在包含水的隔室中的至少一个表面上，且其中所述底栖羽纹硅藻在所述至少一个表面上形成生物膜；
-从所述至少一个表面上收获所述底栖羽纹硅藻；
-通过将所述硅藻壳与包含在所述底栖羽纹硅藻中的有机生物质分离来提取所述硅藻壳。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述包含水的隔室是池。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述包含水的隔室包含具有至少0.01-500g/m3氮和/或至少0.01-100g/cm3磷浓度的营养水。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括对所述包含水的隔室中的所述水添加例如Na2SiO3·5H2O或Na2SiO3·9H2O的硅化合物的步骤，使得在所述包含水的隔室中，氧化硅在所述水中的浓度在0.01-100g/cm3范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括：
-在液体介质中和/或作为干产品提供所述硅藻壳；和/或
-使用所述硅藻壳用于吸收能量、化学物质和/或机械波。
6.根据权利要求5所述的方法，其中在使用所述硅藻壳用于吸收能量、化学物质和/或机械波的步骤中，所述硅藻壳吸收对应于红外范围内、可见范围内和/或紫外范围内的波长的能量，且
其中所述能量的吸收用于提高太阳能电池和/或太阳能板的效率。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，其中提供所述硅藻壳的所述步骤进一步包括将所述硅藻壳沉积在表面上的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述表面是基于硅的太阳能电池和/或太阳能板的顶表面，且其中沉积所述硅藻壳，使得入射光在到达所述太阳能电池和/或太阳能板的活性层之前穿过硅藻壳的所述层。
9.根据权利要求5或6中任一项所述的方法，其中提供所述硅藻壳的所述步骤进一步包括将所述硅藻壳与第二材料混合的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二材料是二氧化钛；且
其中所述方法进一步包括在染料敏化太阳能电池或太阳能板的活性层中提供硅藻壳和二氧化钛的所述混合物的步骤。
11.从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳在太阳能电池和/或太阳能板中的用途。
12.根据权利要求11所述的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的用途，其中所述太阳能电池和/或太阳能板是基于硅的太阳能电池和/或太阳能板。
13.根据权利要求12所述的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的用途，其中作为所述太阳能电池和/或所述太阳能板的顶部上的层提供所述硅藻壳，使得入射光在到达所述太阳能电池和太阳能板之前穿过硅藻壳的所述层。
14.根据权利要求11所述的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的用途，其中所述太阳能电池或太阳能板是染料敏化太阳能电池或太阳能板。
15.根据权利要求14所述的从底栖羽纹硅藻中提取的硅藻壳的用途，其中将所述硅藻壳与二氧化钛混合，并作为所述染料敏化太阳能电池或太阳能板的活性层的一部分提供。
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