CN111342055B

CN111342055B - 一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111342055B
Application number: CN202010128720.1A
Authority: CN
Inventors: 徐自爱; 雍阳春; 俞洋洋
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2022-07-22
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: CN111342055A

Abstract

本发明属于电极材料技术领域，公开了生物活性石墨烯复合水凝胶电极及其制备方法和应用；本发明先行构建生物活性石墨烯水凝胶电极，再利用异化金属还原菌辅助合成FeS纳米颗粒，获得具有高生物活性的三维水凝胶状石墨烯复合电极；所述电极具有电化学活性更高、比表面积更大、负载高密度活细胞的优点，可实现微生物燃料电池直接即时启动，并极大地提高了MFC的电流密度和功率密度。该生物活性水凝胶电极的制备方法具有操作简单、成本低廉、易于放大的优点，在环境修复、生物传感、生物催化、电化学储能和超导电容器等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是一种具有三维网状交联结构，集吸水、保水、缓释于一体的功能高分子材料，由于其良好的生物相容性而被广泛应用于医药和生物工程等领域。二维石墨烯材料因其良好的机械强度、优异的电化学性能和易于功能化而被广泛用于水凝胶合成。硫化亚铁（FeS）因其具有独特的分子结构及优异的表面化学特性，是一种具有潜在应用价值的负载材料，因此常被用来复合石墨烯基水凝胶。硫化亚铁石墨烯复合水凝胶材料在环境污染修复、生物传感、电化学储能等诸多领域表现出独特的优势，具有广泛的应用前景。

现阶段已报道的关于硫化亚铁负载的石墨烯水凝胶主要采用水热合成法，需添加还原剂经一段时间高温加压反应，不仅成本高，耗时长，且易产生环境污染。反应过程中，氧化石墨烯（GO）和高价铁同步被还原，使部分合成的FeS与还原态石墨烯（rGO）相游离，难以得到高负载硫化亚铁的石墨烯水凝胶，极大地限制了硫化亚铁石墨烯复合材料的应用。因此，研发反应条件温和、环境友好、高负载率的硫化亚铁石墨烯复合水凝胶制备方法具有重要意义。

微生物燃料电池（MFCs）是一种利用电活性微生物将有机物中稳定的化学能转化为电能的绿色电化学装置。它能够将能源生产和废水处理以一种可持续的、低成本的方式结合在一起，因此引起了人们极大的研究兴趣。然而，由于MFCs需要在阳极室接种电活性微生物，初期微生物至电极的胞外电子转移效率低，需要较长的预培养和稳定时间才能使菌增殖粘附至阳极电极上形成生物膜，才能正式启动MFCs，这极大的限制了MFCs的应用。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明公开了一种硫化亚铁复合石墨烯的生物活性水凝胶及其制备方法，并开发了生物活性石墨烯复合水凝胶直接作为阳极用于免细菌接种的微生物燃料电池的应用。本发明预先构建生物活性石墨烯水凝胶电极，投加水溶性三价铁盐溶液和水溶性硫源盐溶液，再利用异化金属还原菌辅助合成小尺寸FeS纳米颗粒并使其均匀地锚定于石墨烯片层上，获得具有活细胞负载、高生物活性的负载硫化亚铁的石墨烯复合三维水凝胶状电极。该电极可实现MFCs直接启动，并极大地提高了MFCs的电流密度和功率密度。

本发明首先提供了一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极，所述生物活性水凝胶电极由细菌辅助合成；所述水凝胶电极呈三维水凝胶状，水凝胶内负载高生物活性细菌。

本发明还提供了一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）预先培养生长状态良好的异化金属还原菌、准备分散好的GO水溶液、连接碳布和钛丝制成普通碳布电极并置于样品瓶中；

（2）制备以碳布为基底的生物活性石墨烯水凝胶电极：向样品瓶中加入缓冲溶液，依次加入适量离心后的异化金属还原菌菌泥、GO水溶液、乳酸钠，混合均匀，恒温定时培养；

（3）制备生物活性石墨烯复合水凝胶电极：向步骤（2）得到的混合体系中分别投加水溶性三价铁盐溶液和水溶性硫酸盐溶液，恒温定时培养；

（4）将培养后获得的生物活性石墨烯复合水凝胶电极取出，用无氧超纯水洗涤后，直接作为阳极并应用于微生物燃料电池。

进一步地，步骤（1）中，所述异化金属还原菌包括但不限于奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)。

进一步地，步骤（2）中所述缓冲溶液为Tris-HCl缓冲液、PBS缓冲液、MOPS缓冲溶液、HEPES缓冲液、磷酸盐缓冲液中的任一种。

进一步地，步骤（2）中，加入适量离心后的菌泥，使所述异化金属还原菌在缓冲溶液中的OD₆₀₀为0.5-8；

进一步地，步骤（2）中，加入GO水溶液使得GO在缓冲溶液中的浓度为0.1-2 mg/mL；所述乳酸钠在缓冲溶液中的终浓度为1-50 mmol/L。

进一步地，步骤（3）中，所述水溶性三价铁盐包括氯化铁、硫酸铁、硫酸铁铵或柠檬酸铁等，所述水溶性三价铁盐在混合体系中的终浓度为0.1-10 mmol/L；所述水溶性硫酸盐包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫化盐等，水溶性硫酸盐的终浓度控制范围0.1-10 mmol/L。

其中步骤（2）和步骤（3）所述培养的条件为：温度4~50 ℃，培养时间8~72 h。

其中步骤（3）和步骤（4）均在厌氧条件下进行操作。

其中步骤（2）、步骤（3）和步骤（4）均在无菌条件下进行操作。

实验采用MFC为双室构型，阳极和阴极以质子交换膜分隔，双室有效体积均为30ml，阳极电极为生物活性石墨烯复合水凝胶电极，阴极电极为2 cm×3 cm碳毡，阳极液使用含有微量元素的M9培养基，阴极液以铁氰化钾为有效成分，连接2 kΩ外电阻。

本发明的有益效果：

1. 本发明创新了一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，主要在于利用异化金属还原菌使GO转化为rGO，预先形成包裹了电活性菌的三维网状交联的水凝胶结构；然后投加水溶性三价铁盐溶液和水溶性硫酸盐溶液，再利用异化金属还原菌辅助合成小尺寸FeS纳米颗粒，并使其均匀锚定于三维石墨烯水凝胶结构。相比传统硫化亚铁石墨烯水复合凝胶的制备方法，本发明实现了FeS纳米颗粒的高效定向负载的技术性突破。

2. 本发明公开的生物活性石墨烯复合水凝胶的制备不仅工艺简单、耗时短、绿色经济，且尺寸可控、成本低廉，且易于工业化生产和放大，进一步扩大了该水凝胶在生物工程、医药、环境、催化、光学、传感和电化学储能性能等领域的应用前景。

3. 本发明构建的生物活性石墨烯复合水凝胶电极内含高生物活性细菌，该生物活性水凝胶电极可直接用于免细菌接种的MFCs，省去活菌接种和驯化时间，实现了MFCs免接种技术的突破。

4. 本发明构建的生物活性石墨烯复合水凝胶电极呈三维网状结构，极大地增加了电极的比表面积和导电性，提高了电活性微生物与电极间细胞外电子传输效率，大幅度提高了MFC的性能。生物活性石墨烯复合FeS水凝胶-MFC，最大电流密度为10000 mA m^-2，功率密度最高达3017.212 mW m^-2，相较于普通碳布电极输出功率50 mW m^-2提升高达60倍，相较于生物活性石墨烯水凝胶-MFC输出功率提高1.89倍。

附图说明

图1为生物活性石墨烯水凝胶复合电极合成过程形态颜色变化图。

图2为生物活性石墨烯复合水凝胶电极合成后的实物图。

图3为实施例1制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极材料的XRD图谱。

图4为实施例1制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极应用于微生物燃料电池的单个周期时间-输出电压图谱。

图5为实施例1制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极应用于MFC，稳定运行三周期后的激光共聚焦图像。

图6为实施例1~4制备的不同类型生物活性石墨烯复合水凝胶电极应用于微生物燃料电池的极化曲线图谱，（a）为电流密度-电压图，（b）为电流密度-功率密度图，对照组为生物活石墨烯性电极。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体描述，其目的在于更好的理解本发明的技术内涵，但是本发明的保护范围不限于以下的实施范围。

实施例1：

(1) 异化金属还原菌的培养：奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)，购自ATCC美国模式菌种保藏中心，菌种编号ATCC700550；向200m L的LB培养基(含酵母提取物5 g/L，胰蛋白胨10 g/L和氯化钠5 g/L，pH＝7.0)中接入希瓦氏菌菌种，于温度30℃、震荡转数200rpm培养14h，获得菌液；

(2)生物活性石墨烯水凝胶电极的合成体系：控制反应体系中各成分含量为Na₂HPO₄·12H₂O 17.8 g/L、KH₂PO₄ 3 g/L、NaCl 0.5 g/L、NH₄Cl 0.5 g/L、18 mmol/L乳酸钠、0.1 mol/L的CaCl₂、1 mmol/L的MgSO₄、1 g/L的GO；将培养好的希瓦氏菌取出，根据浓度换算，将菌泥加入到rGO水凝胶电极的合成体系中，将浓度控制在OD₆₀₀＝4；放入碳布电极，然后置于4～50 ℃培养时间8～72 h，形成以碳布为基底的生物活性石墨烯水凝胶电极；

(3) 生物活性石墨烯复合水凝胶电极的构建：向生物活性石墨烯水凝胶电极的合成体系中加入0.5 mmol/L的氯化铁和0.5mM的硫代硫酸钠，置于4～50 ℃培养8～72 h，得到生物活性石墨烯复合水凝胶电极；

(4) 以上所有操作要在厌氧条件下进行，最终得到生物活性石墨烯复合水凝胶电极，记为a-FeS@rGO。

图1为生物活性石墨烯复合水凝胶电极合成过程中形态和颜色的变化，由图可见，3 h后体系中棕褐色石墨烯已变成黑色，说明GO被还原成rGO，6 h后体系开始缩小体积聚合成水凝胶，12 h后水凝胶完全成型，制备得到的生物活性石墨烯复合水凝胶电极如图2所示，生物活性石墨烯复合水凝胶电极为圆形，直径为17mm，用于计算功率密度。

性能指标测试：

（1）XRD表征样品制备：样品的处理要在严格的厌氧环境中进行，将合成后的溶液10000 rpm离心10 min，弃上清，用无氧水洗涤3次， 8000 rpm离心10 min，弃上清之后用75%、100％乙醇和丙酮各清洗两次，将所收集的沉淀置于厌氧工作站中干燥。使用玛瑙研钵将干燥后的黑色固体研磨成均匀的粉末，取适量粉末进行X射线衍射分析表征。

（2）LSCM表征样品制备：激光共聚焦电子显微镜所用染料为Live/Deas(SYTO9/PI)双染，具体处理方法如下：取适量新鲜合成的水凝胶胶体0.85%生理盐水清洗2~3次，置于载玻片，取20 μL染料在黑暗下染色10-15 min，染色结束后立刻吸出多余的染料并用0.85%生理盐水小心洗去背景色，置于激光共聚焦显微镜下观测。

图3为实施例1所述条件下制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极的XRD图谱，对照组为生物合成的石墨烯水凝胶电极材料，即合成电极过程中不添加氯化铁和硫代硫酸钠，其余条件和实施例1一致。与标准卡片（JADE6）对比，本发明制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极在2θ为28.4±0.2有cF 8构型铁矿铁硫化物的特征峰，对应FeS在（111）晶面的衍射峰，在40.5±0.2、50±0.2、58.6±0.2、66.4±0.2、73.5±0.2有tP 4构型铁矿铁硫化物的特征峰，分别对应FeS在（111）、（112）、（211）、（113）、（203）晶面的特征峰。说明实施例1中生物合成的FeS纳米颗粒的晶体构型主要是cF 8和tP 4型。

图4为实施例1制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极应用于微生物燃料电池的单个周期时间-输出电压图谱。由图可见此MFC的最大输出电压为645 mV，可维持42 h较高电压。

图5为实施例1制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极激光共聚焦图像，其中图（a）和图（b）对应的是绿光和红光下观测的希瓦氏菌的染色情况，菌呈绿色说明活性良好，菌呈红色说明菌已凋亡；图（c）为绿光和红光的综合，即表明当前视野下总体希瓦氏菌的活性情况，绿光占绝对主导，红光几乎不可见，可说明生物活性石墨烯复合水凝胶电极经运行三周期后，其电活性微生物仍能保持良好的活性，表明此MFC具有长时间工作的潜力。

实施例2：

与实施例1基本相同，但有以下改变：在生物活性石墨烯水凝胶电极的合成体系中投加的氯化铁的终浓度为1 mmol/L，投加硫代硫酸钠终浓度为1 mmol/L，获得生物活性石墨烯复合水凝胶电极，记为b-FeS@rGO。

实施例3：

与实施例1基本相同，但有以下改变：在生物活性石墨烯水凝胶电极的合成体系中投加的氯化铁的终浓度为5 mmol/L，投加硫代硫酸钠终浓度为5 mmol/L，获得生物活性石墨烯复合水凝胶电极，记为c-FeS@rGO。

实施例4：

与实施例1基本相同，但有以下改变：在生物活性石墨烯水凝胶电极的合成体系中投加的氯化铁的终浓度为10 mmol/L，投加硫代硫酸钠终浓度为10 mmol/L，获得生物活性石墨烯复合水凝胶电极，记为d-FeS@rGO。

实施例5：

将以上实施例1~4中添加不同浓度氯化铁和硫代硫酸钠制备的四种生物活性石墨烯复合水凝胶电极直接应用于微生物燃料电池阳极，免接种产电菌。MFC为双室电池，其中阳极材料分别为实施例1~4中添加不同浓度氯化铁和硫代硫酸钠制备的四种生物活性石墨烯复合水凝胶电极，阳极液为5% LB培养基和95% M9培养基；阴极液成分具体包含K₃Fe(CN)₆16.49 g/L、KCl 3.73 g/L、Na₂HPO₄·12H₂O 17.8 g/L、KH₂PO₄ 3 g/L。需要注意的是所用于MFC阳极室需要在氮气气氛下进行30 min的曝气以保证阳极室的厌氧良好。另在阳极添加18 mmol/L 乳酸钠作为电子供体。

对照组中，采用实施例1制备方法中的步骤（1）-（2）制备得到生物活性石墨烯水凝胶电极（rGO）。将生物活性石墨烯水凝胶电极作为阳极材料，其余条件与上述一致。连接2 kΩ外电阻，将电池连接至MPS-010602数据采集卡实时记录电池电压。

图6为实施例1~4中添加不同浓度氯化铁和硫代硫酸钠制备的四种生物活性石墨烯复合水凝胶电极应用于微生物燃料电池的极化曲线图谱，（a）为电流密度-电压图，（b）为电流密度-功率密度图，其中，对照组为生物活性石墨烯（rGO）水凝胶电极。由图可知，对照组所用生物活性石墨烯水凝胶电极MFC的功率密度是1592.36 mW/m²；a-FeS@rGO电极应用于MFC，其功率密度最高，数值为3017.21 mW/m²，是生物活性石墨烯水凝胶的1.89倍；b-FeS@rGO电极应用于MFC，其功率密度为2777.53 mW/m²；c-FeS@rGO电极应用于MFC，其功率密度为2469.89 mW/m²；d-FeS@rGO电极应用于MFC，其功率密度为1436.11 mW/m²，小于对照组；实验说明在低氯化铁和硫代硫酸钠投加条件下合成的FeS纳米颗粒锚定于GO片层上时对电子传递有促进作用，可明显提高MFC的输出功率，于0.5 mmol/L达到最优，此后提高氯化铁和硫代硫酸钠的投加量依然可以提高MFC的功率密度，但在投加量达到10 mmol/L时已起到抑制作用。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（2）制备以碳布为基底的生物活性石墨烯水凝胶电极：向样品瓶中加入缓冲溶液，依次加入适量离心后的异化金属还原菌菌泥、GO水溶液、乳酸钠，混合均匀，恒温定时培养；所述异化金属还原菌在缓冲溶液中的OD₆₀₀为0.5-8；所述GO在缓冲溶液中的浓度为0.1-2 g/L；所述乳酸钠在缓冲溶液中的终浓度为1-50 mmol/L；

（4）将培养后获得的生物活性石墨烯复合水凝胶电极取出，用无氧超纯水洗涤；

所述生物活性水凝胶电极由细菌辅助合成；所述水凝胶电极呈三维水凝胶状，水凝胶内负载高生物活性细菌；所述水凝胶活菌数达到10⁵ CFU/mL以上；所述细菌包括但不限于奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)；

所述生物活性水凝胶电极利用异化金属还原菌使GO转化为rGO，预先形成包裹了电活性菌的三维网状交联的水凝胶结构，再利用异化金属还原菌辅助合成FeS纳米颗粒，并使其均匀锚定于三维石墨烯水凝胶结构。

2.根据权利要求1所述的生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述异化金属还原菌包括但不限于奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensisMR-1)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)。

3.根据权利要求1所述的生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述缓冲溶液为Tris-HCl缓冲液、PBS缓冲液、MOPS缓冲溶液、HEPES缓冲液、磷酸盐缓冲液中的任一种。

4.根据权利要求1所述的生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述水溶性三价铁盐包括氯化铁、硫酸铁、硫酸铁铵或柠檬酸铁，所述水溶性三价铁盐在混合体系中的终浓度为0.1-10 mmol/L；所述水溶性硫酸盐包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫化盐，水溶性硫酸盐的终浓度控制范围0.1-10 mmol/L。

5.根据权利要求1所述的生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）和（3）中所述培养的条件均为：温度4~50 ℃，静置培养8~72 h；所述步骤（3）和（4）均在厌氧条件下进行操作；所述步骤（2）、（3）、（4）均在无菌条件下进行操作。

6.权利要求1~5任意一项所述方法制备的生物活性石墨烯复合水凝胶电极在微生物燃料电池中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述生物活性水凝胶电极直接连接在微生物燃料电池阳极，不需要额外进行微生物接种。