CN112838221A - 一种微生物电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微生物燃料电池领域，尤其涉及一种微生物电极及其制备方法，其中，一种微生物电极的制备方法，包括以下步骤：将酸化处理后的基材置于含有偶联剂的水溶液中，并加入苯硼酸类物质，得到活化的基材；将所述活化的基材置于葡萄糖溶液中浸泡后，再将其与电活性微生物共培养，即得微生物电极；所述偶联剂为1‑乙基‑3‑(3‑二甲基氨丙基)碳二亚胺和N‑羟基琥珀酰亚胺的混合物；所述苯硼酸类物质为3‑氨基苯硼酸或4‑二甲氨基苯硼酸中的任意一种；所述电活性微生物为地杆菌属或希瓦氏菌属中的任意一种或两种。本发明所制备的微生物电极因其表面覆盖的电活性生物膜，使其表面具备优异的电子转移性质，进而使微生物电极的产电性能得到显著提高。

Description

一种微生物电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池领域，尤其涉及一种微生物电极及其制备方法。
背景技术
微生物电极是一种将具有电化学活性的微生物或完整细胞作为催化剂或敏感元件与电极结合在一起而构成的，它通过微生物的新陈代谢作用分解底物，将其中的化学能转化为电能或电信号的装置。微生物电极可以作为微生物燃料电池阳极和电化学微生物传感器电极使用。
近年来，微生物燃料电池作为最常见的微生物电化学系统，在发电、制氢、化学合成、废水处理、海水淡化等领域得到快速发展，其实现能源转化的关键部件就是作为阳极的微生物电极。
微生物电极是微生物燃料电池的核心部件，微生物往往直接附着或聚集在电极表面以形成生物膜，其可作为“活性催化剂”实现电子的转移。因此，微生物电极材料除了满足一般要求如良好的导电性、长久的使用寿命和较低的成本外，还应具备良好的生物相容性、较大的表面积、利于细菌附着和电子转移的表面性质等。
传统的微生物电极的构建方式主要是通过吸附的方式在预制好的电极表面富集电化学活性微生物。而且，在大多数微生物燃料电池系统中，活性细菌生物膜一般在系统建立后才开始形成，其驯化过程需要几天甚至几个月，取决于接种物和操作条件。另一种策略是采用合适的材料包载菌种，并保证细菌细胞生理功能的完整性，以形成工程化生物膜，这种细菌/材料杂化的生物电极，电极制造和生物膜形成往往是同时进行的。
大量研究表明，电极形貌结构对活性细菌生物膜的形成和性能有着显著影响，作为生物电化学系统的电极材料，其生物相容性和利于电子转移的表面性质受到越来越多的关注。新型生物电极的设计与常规多孔电极的设计不同，需要考虑热力学性质，包括微生物能量需求以及实现基质传递和产物去除。目前的细菌固定化方式只是将微生物固定在电极表面，微生物对电极表面是“被动选择”，微生物种群之间的竞争生长以及活性生物膜的形成都需要较长的时间以达到平衡，在此过程中产电性能并没有得到优化。
因此，有必要开发一种微生物“主动选择”粘附生长，利于电活性生物膜形成的电极材料，并且，在生物膜形成过程中，应采取有效手段增强营养物和副产物的质量传递，以维持生物膜的健康发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微生物电极构建的新方法，以提高电活性菌在基底表面的粘附和富集，进而提高微生物电极的产电性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微生物电极的制备方法，包括以下步骤：
将酸化处理后的基材置于含有偶联剂的水溶液中，并加入苯硼酸类物质，得到活化的基材；将所述活化的基材置于葡萄糖溶液中浸泡后，再将其与电活性微生物共培养，即得微生物电极；
所述偶联剂为1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的混合物；
所述苯硼酸类物质为3-氨基苯硼酸或4-二甲氨基苯硼酸中的任意一种；
所述电活性微生物为地杆菌属或希瓦氏菌属中的任意一种或两种。
首先，对基材进行酸化处理，将基材表面刻蚀以增加偶联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺与基材的相互作用面积及相互作用力。此时，再加入苯硼酸时，介导羧基和氨基发生化学反应，以增加电极材料表面与苯硼酸的共价结合力。而与基材表面共价结合的苯硼酸能够与顺式二醇分子结合生成可逆的共价复合物，此时，再将表面共价结合有苯硼酸的基材置于葡萄糖溶液中时，可生成结构稳定且亲水的苯硼酸酯，并且化学反应持续向生成苯硼酸酯的方向移动。而葡萄糖作为细菌生长的碳源，在细菌细胞膜糖转运过程中发挥着重要作用，利于电活性菌的粘附、富集，进而形成生物膜。本发明优选的电活性微生物为地杆菌属(Geobactersulfurreducens)和希瓦氏菌属(Shewanellaoneidensis)，这些细菌与普通的细菌生物膜相比，电子受体始终是可得的，具有更高的电活性，可形成较厚的生物膜。因此，本发明所制备的微生物电极因其表面覆盖的电活性生物膜，使其表面具备优异的电子转移性质，进而使微生物电极的产电性能得到显著提高。
进一步，具体包括如下步骤：
S1、将基材置于硝酸溶液中进行酸化处理；
S2、将酸化处理后的基材置于含有偶联剂的水溶液中，并于常温条件下搅拌0.5-2h；
S3、向S2的反应体系中加入苯硼酸类物质继续反应10-24h，并依次进行洗涤、干燥，得到活化的基材；
S4、将所述活化的基材置于葡萄糖溶液中浸泡0.5-2h，经洗涤后得到修饰后的基材；
S5、将所述修饰后的基材与所述电活性微生物悬浮液共培养，即得微生物电极。
基材的酸化处理，可将基材表面刻蚀以增加偶联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺与基材的相互作用面积及相互作用力。
基材活化后再加入苯硼酸，可增加电极材料表面与苯硼酸的共价结合力。
表面共价结合苯硼酸的基材能够与葡萄糖分子结合生成可逆的共价复合物，而葡萄糖作为细菌生长的碳源，在细菌细胞膜糖转运过程中发挥着重要作用，利于电活性菌的粘附、富集，进而形成生物膜。
进一步，步骤S1中，所述硝酸的浓度为60-70％，所述酸化处理的温度为80-100℃，时间为0.5-6h。
使用浓度为60-70％的硝酸，于80-100℃对基材表面进行酸化处理0.5-6h，一方面可以将表面刻蚀为微纳米尺寸的结构，进而增大基材与偶联剂的接触面积和相互作用力，另一方面酸化处理过程中在基材表面引入了C-OH、-COOH或-OC-O-OC-等官能团，上述官能团与偶联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺上的氨基、羟基之间相互吸引甚至缔合，增加大了基材与偶联剂之间的分子间作用力，而偶联剂的引入活化了基材，增加了基材的表面活性。
进一步，步骤S2中，所述1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺的浓度为0.005-0.2g/mL，所述N-羟基琥珀酰亚胺的浓度为0.005-0.1g/mL。
研究表明，当偶联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺的浓度为0.005-0.2g/mL，N-羟基琥珀酰亚胺的浓度为0.005-0.1g/mL时，既可保证基材的完全活化，又避免了过量的偶联剂残留在反应体系中对后续反应的抑制作用。
进一步，步骤S3中，所述苯硼酸类物质的浓度为0.01-0.2g/mL。
研究表明，当增加反应物的浓度时，活化分子的数量增加，有效碰撞频率增大，会使反应速率增大，但是并不是反应物浓度越大越好，反应物浓度过大，会导致反应不易达到平衡状态，影响反应的充分性，因此，由平衡常数关系式计算得到苯硼酸类物质的最佳投料浓度为0.01-0.2g/mL，此时，苯硼酸类的物质可与基体表面偶联剂恰好完全反应，又能保证较快的反应速率，缩短反应时间。
进一步，步骤S3中，所述洗涤使用超纯水，所述干燥采用真空干燥，其中，所述真空干燥的温度为20-30℃，时间为10-14h。
使用超纯水清洗主要为避免基材被杂质污染，而使用真空干燥的方法减少了基材与空气的接触时间，避免了基材因被空气氧化而造成电极活性降低的不利因素。
进一步，步骤S4中，所述葡萄糖的浓度为2-10g/L，所述洗涤使用超纯水。
葡萄糖(2，3，4，5，6-五羟基己醛)是细菌培养的主要碳源，其碳链上的-OH与苯硼酸类物质的-COOH发生缩合反应，使葡萄糖附着在基材表面，为电活性微生物的附着提供了生存的碳源，而将葡萄糖的浓度设置为2-10g/L时，既保证了微生物所必须的碳源，又避免了葡萄糖浓度过大造成其他微生物的滋生。
进一步，步骤S5中，所述共培养时，所述修饰后的基材以100-1000rpm的转速旋转，并于常温下孵育2-7天。
在生物膜形成过程中，采用旋转电极的方式，以强制对流来增强营养物和副产物的质量传递，以维持生物膜的健康发展，100-1000rpm的转速的剪切应力条件可以减少电极表面生物膜的孵育时间，同时，因旋转过程中的通透性的改善还可以提高其代谢率，这种动态培养的方式有利于生物电极在生物电化学系统中实现更大规模更高效的应用。
进一步，所述基材为碳纸、碳布、碳毡、碳网、碳刷或碳纳米管中的任意一种。
本发明中可以微生物电极常用的碳纸、碳布、碳毡、碳网、碳刷或碳纳米管中的任意一种作为基材制备上述微生物电极。
一种微生物电极，根据上述的制备方法制备而得。
本发明与现有技术相比，本发明一种微生物电极的制备方法的有益效果在于：
本发明微生物电极的制备过程中，首先，使用偶联剂1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺处理基材，以增加电极材料表面与苯硼酸的共价结合力，而与基材表面共价结合的苯硼酸能够与顺式二醇分子结合生成可逆的共价复合物，此时，再将表面共价结合有苯硼酸的基材置于葡萄糖溶液中时，可生成结构稳定且亲水的苯硼酸酯，并且化学反应持续向生成苯硼酸酯的方向移动。而葡萄糖作为细菌生长的碳源，在细菌细胞膜糖转运过程中发挥着重要作用，利于电活性菌的粘附、富集，进而形成生物膜。本发明优选的电活性微生物为地杆菌属(Geobactersulfurreducens)和希瓦氏菌属(Shewanellaoneidensis)，这些细菌可形成较厚的生物膜，并且，这些细菌的电子受体始终是可得的，与普通的细菌生物膜相比，具有更高的电活性。因此，本发明所制备的微生物电极因其表面覆盖的电活性生物膜，使其表面具备优异的电子转移性质，进而使微生物电极的产电性能得到显著提高。
附图说明
图1为本发明旋转诱导电极材料构建MFC的输出电压的示意图；
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面将对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
以碳毡为电极基底材料，将其裁成直径3cm圆片，浸泡在丙酮溶液中过夜，去离子水充分清洗，烘干；干燥后将碳毡浸泡在质量百分比浓度为60％的浓硝酸溶液中，在硝酸回流装置中煮沸处理0.5h，以去离子水、乙醇交替清洗；将酸化的碳毡置入0.005g/mL1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺(EDC)和0.005g/mLN-羟基琥珀酰亚胺(NHS)溶液中，常温下搅拌0.5h其中，浸泡比例为每克基材20-30mL溶液；加入一定量3-氨基苯硼酸使之浓度为0.01g/mL，继续反应10h后，以超纯水充分洗涤后于20℃下真空干燥10h；表面固定苯硼酸的碳毡在2g/L葡萄糖溶液中浸泡1h，以超纯水充分洗涤。修饰后的碳毡基底材料与Geobactersulfurreducens(ATCC51573)悬液共培养，以100rpm转速旋转，孵育2天后，得到覆盖电活性生物膜的电极材料。
实施例2
以碳刷为电极基底材料，浸泡在丙酮溶液中过夜，去离子水充分清洗，烘干；干燥后将碳刷浸泡在质量百分比浓度为70％的浓硝酸溶液中，在硝酸回流装置中煮沸处理6h，以去离子水、乙醇交替清洗；将酸化的碳刷置入0.04g/mLEDC和0.02g/mLNHS溶液中，室温下搅拌2h，加入一定量3-氨基苯硼酸使之浓度为0.2g/mL，继续反应14h后，以超纯水充分洗涤后于30℃下真空干燥14h；表面固定苯硼酸的碳刷在4g/L葡萄糖溶液中浸泡1h，以超纯水充分洗涤；修饰后的碳刷基底材料与ShewanellaoneidensisMR-1悬液共培养，以1000rpm转速旋转，孵育7天后，得到覆盖电活性生物膜的电极材料。
实施例3
碳纳米管浸泡在丙酮溶液中过夜，去离子水充分清洗，离心收集后烘干；干燥后的碳纳米管浸泡在质量百分比浓度为65％的浓硝酸溶液中，在硝酸回流装置中煮沸处理30min，离心收集后以去离子水、乙醇交替清洗、离心；将酸化的碳纳米管置入0.02g/mLEDC和0.01g/mLNHS溶液中，室温下搅拌1h，加入一定量3-氨基苯硼酸使之浓度为0.1g/mL，继续反应12h后离心收集，以超纯水充分洗涤后于25℃下真空干燥12h；表面固定苯硼酸的碳纳米管在8g/L葡萄糖溶液中浸泡1h，以超纯水充分洗涤；修饰后的碳纳米管与G.sulfurreducens(ATCC51573)悬液共培养，以500rpm转速旋转，孵育5天后，得到覆盖电活性生物膜的电极材料。
实施例4
以碳布为电极基底材料，将其裁成2cm*2cm大小，浸泡在丙酮溶液中过夜，去离子水充分清洗，烘干；干燥后将碳布浸泡在质量百分比浓度为68％的浓硝酸溶液中，在硝酸回流装置中煮沸处理2h，以去离子水、乙醇交替清洗；将酸化的碳布置入0.02g/mLEDC和0.01g/mLNHS中，室温下搅拌1h，加入一定量3-氨基苯硼酸使之浓度为0.1g/mL，继续反应12h后，以超纯水充分洗涤后于25℃下真空干燥12h；表面固定苯硼酸的碳布在5g/L葡萄糖溶液中浸泡1h，以超纯水充分洗涤；修饰后的碳布基底材料与S.oneidensis MR-1悬液共培养，以不同转速100、500、1000转/分转速旋转，孵育5天后，得到三种覆盖电活性生物膜的电极材料，将此电极材料应用于微生物燃料电池(MFC)，在不同时间点采集输出电压，结果如图1所示，其中(a)为100rpm；(b)为500rpm；(c)为1000rpm。
由图可知，以500rpm旋转诱导的生物电极启动运行后，输出电压不断上升，3d后电压输出达到140mV左右，之后输出电压继续维持稳定；以1000rpm转速旋转诱导的生物电极启动运行后，输出电压在4d后达到最大值80mV左右；以100rpm转速旋转诱导的生物电极启动运行后，输出电压在三种电极中最低，6d后达到最大值45mV左右。同样条件下以静态电极构建MFC的输出电压在14d后达到最大值40mV左右。由此可见，旋转诱导法制备微生物电极相较静态法，构建MFC的输出电压更高，
实施例5
以碳纸为电极基底材料，将其剪成直径2cm圆片，浸泡在丙酮溶液中过夜，去离子水充分清洗，烘干；干燥后将碳纸浸泡在质量百分比浓度为68％的浓硝酸溶液中，在硝酸回流装置中煮沸处理6h，以去离子水、乙醇交替清洗；将酸化的碳纸置入0.02g/mLEDC和0.01g/mLNHS中，室温下搅拌1h，加入一定量3-氨基苯硼酸使之浓度为0.02g/mL，继续反应12h后，以超纯水充分洗涤后于25℃真空干燥12h；表面固定苯硼酸的碳纸在10g/L葡萄糖溶液中浸泡1h，以超纯水充分洗涤；修饰后的碳纸基底材料与S.oneidensis MR-1悬液共培养，以100rpm转速旋转，孵育3天后，得到覆盖电活性生物膜的电极材料。
实施例6
以碳网为电极基底材料，将其剪成直径5cm圆片，浸泡在丙酮溶液中过夜，去离子水充分清洗，烘干；干燥后将碳网浸泡在质量百分比浓度为68％的浓硝酸溶液中，在硝酸回流装置中煮沸处理3h，以去离子水、乙醇交替清洗；将酸化的碳网置入0.2g/mLEDC和0.1g/mLNHS中，室温下搅拌1h，加入一定量3-氨基苯硼酸使之终浓度为0.2g/mL，继续反应24h后，以超纯水充分洗涤后于25℃下真空干燥12h；表面固定苯硼酸的碳网在5g/L葡萄糖溶液中浸泡1h，以超纯水充分洗涤；修饰后的碳网基底材料与G.sulfurreducens(ATCC51573)悬液共培养，以500rpm转速旋转，孵育4天后，得到覆盖电活性生物膜的电极材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微生物电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将酸化处理后的基材置于含有偶联剂的水溶液中，并加入苯硼酸类物质，得到活化的基材；将所述活化的基材置于葡萄糖溶液中浸泡后，再将其与电活性微生物共培养，即得微生物电极；
所述偶联剂为1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的混合物；
所述苯硼酸类物质为3-氨基苯硼酸或4-二甲氨基苯硼酸中的任意一种；
所述电活性微生物为地杆菌属或希瓦氏菌属中的任意一种或两种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、将基材置于硝酸溶液中进行酸化处理；
S2、将酸化处理后的基材置于含有偶联剂的水溶液中，并于常温条件下搅拌0.5-2h；
S3、向S2的反应体系中加入苯硼酸类物质继续反应10-24h，并依次进行洗涤、干燥，得到活化的基材；
S4、将所述活化的基材置于葡萄糖溶液中浸泡0.5-2h，经洗涤后得到修饰后的基材；
S5、将所述修饰后的基材与所述电活性微生物悬浮液共培养，即得微生物电极。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述硝酸的浓度为60-70％，所述酸化处理的温度为80-100℃，时间为0.5-6h。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺的浓度为0.005-0.2g/mL，所述N-羟基琥珀酰亚胺的浓度为0.005-0.1g/mL。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述苯硼酸类物质的浓度为0.01-0.2g/mL。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述洗涤使用超纯水，所述干燥采用真空干燥，其中，所述真空干燥的温度为20-30℃，时间为10-14h。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述葡萄糖的浓度为2-10g/L，所述洗涤使用超纯水。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S5中，所述共培养时，所述修饰后的基材以100-1000rpm的转速旋转，并于常温下孵育2-7天。
9.根据权利要求1-8所述的制备方法，其特征在于，所述基材为碳纸、碳布、碳毡、碳网、碳刷或碳纳米管中的任意一种。
10.一种微生物电极，其特征在于，所述微生物电极根据权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而得。
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CN109962249A (zh) * 2019-04-04 2019-07-02 湖南师范大学 聚间氨基苯硼酸的碳基微生物燃料电池阳极及其制备方法

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