CN116143246B

CN116143246B - 一种基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法

Info

Publication number: CN116143246B
Application number: CN202310226458.8A
Authority: CN
Inventors: 王婧瑶; 杨永强; 方皓; 孙建伶; 葛晓颖
Original assignee: Beijing Academy Of Ecological And Environmental Protection
Current assignee: Beijing Academy Of Ecological And Environmental Protection
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2024-03-26
Anticipated expiration: 2043-03-09
Also published as: CN116143246A

Abstract

一种基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法，本发明首先将黑曲霉菌种活化，而后接种于固相培养基上，5‑7天后收获孢子，并将其低温碳化，即获得电极的活性材料；活性材料即为黑曲霉孢子，其为直径2μm的小球，比表面积大、表面具刺突，形貌规则；黑曲霉孢子中C、N、O和P的含量分别为60％‑70％、10％‑15％、20％‑25％和1％‑5％，表面具‑OH、‑COOH、C‑O、C＝O等含氧官能团和C‑N键；对H₂O₂选择性达80％，催化阴极的电子转移数为2.8，表明黑曲霉孢子更倾向于催化2e‑ORR过程；本发明方法制作简易，方便易得，电化学性能良好，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法

技术领域

本发明涉及电化学碳材料技术领域，尤其涉及一种基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法。

背景技术

有机废水由于有机物结构复杂、稳定、难降解，是环境领域的一大难点问题。目前有机废水的处理常用方法包括生物法、沉淀法、吸附法等；现有这些处理方法在其处理过程中由于处理周期长、处理成本高和易引起二次污染等问题均存在一定局限性。现有技术公开的电芬顿法处理有机废水，以电能为驱动，因可以在阴极原位产H₂O₂及三价铁可在阴极电极还原，克服了传统芬顿污泥产量大、H₂O₂运输危险的缺点；电流强度的可控性又可以解决常规芬顿反应过程难以控制等缺点，而具有极强的工业应用价值。电芬顿反应的基本原理是溶解氧在适合的阴极材料表面通过发生双电子的氧还原反应(Oxygen reductionreaction,ORR)，即2e-ORR产生H₂O₂。阴极反应所生成的H₂O₂能够与溶液中的Fe²⁺催化剂反应产生强氧化剂羟基自由基(·OH)，利用·OH无选择性的强氧化能力从而达到去除难降解有机物的目的。

电芬顿的核心是阴极材料，阴极材料除了集流体外，最重要的是可以强化2电子ORR反应的活性材料。目前现有技术公开的阴极活性材料中，碳基材料由于其低碳绿色的属性而成为了热门材料，其次是贵金属、过渡金属及其化合物，碳基材料一般包括无机材料(石墨和碳纳米管等)和有机材料(木质纤维素类生物质、牛血清白蛋白等)。然而目前存在的问题是：(1)贵金属和过渡金属材料由于成本高、稳定性和离子浸出问题而具有一定局限性；(2)碳基的无机材料需要多步骤进行杂原子掺杂，且掺杂进入的杂原子经常在高温后消失；(3)碳基的有机材料通常需要物理预处理才能使其具有形状规则、比表面积大的特点。

因此，现有公开的电芬顿法中的阴极活性材料存在诸多局限性问题，急需开发一种制作简单、廉价易得、稳定高效的绿色新材料。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺点，本发明所要解决的技术问题是目前现有技术中，在电芬顿法处理有机废水过程中，所使用的阴极活性材料存在的成本高、稳定性差、制备步骤繁杂、掺杂原子易消失的问题，急需研制新材料进行替代。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法，包括：

步骤1、黑曲霉菌种活化，将黑曲霉菌种接种至液体培养基中，控制温度进行活化得种子液；

步骤2、发酵固体培养基准备，发酵固体培养基为药剂配制的发酵固体培养基、或者为农林废弃物制备的发酵固体培养基；

步骤3、黑曲霉孢子培养，将步骤1得到得种子液涂到步骤2得发酵固体培养基上，25℃-35℃温度下进行培养，得到黑曲霉孢子；

步骤4、黑曲霉孢子碳化，将步骤3得到得黑曲霉孢子在惰性气体环境下，在200℃-500℃下进行碳化，得到目标产品黑曲霉孢子电极活性材料；

进一步地，所述步骤1中，所述黑曲霉菌种为国家医药菌种保藏中心(CMCC)的黑曲霉菌株(菌株分类名称：Aspergillus niger，保藏编号：CMCC98003)或者是自然界筛得的黑曲霉菌种；

进一步地，所述步骤1黑曲霉菌种活化，具体操作为：将改良马丁液体培养基(5g蛋白胨，1g酵母粉，20g葡萄糖，1g KH₂PO₄，0.5g MgSO₄)灭菌，将黑曲霉菌株接种到灭好菌的液体培养基中，25-35℃活化，后作为种子液备用；

进一步地，所述步骤2中，所述药剂配制的发酵固体培养基，具体由改良马丁液体培养基添加琼脂粉(2％添加量)制备而成；

进一步地，所述步骤2中，所述农林废弃物制备的发酵固体培养基，具体是由水稻秸秆切断成长度为2cm的小段，按质量体积比为1:1克/毫升的比例与水混合制备而成，无需外加碳氮源；

进一步地，所述步骤3中，黑曲霉孢子培养的具体操作为：将步骤1得到的种子液涂布到马丁发酵固体培养基上；然后将发酵固体培养基置于25℃-35℃生化培养箱，5至7天后，待菌丝长满整个发酵固体培养基，收集得到黑曲霉孢子；

在本发明另一具体实施方式中，所述步骤3中，黑曲霉孢子培养的具体操作为：将步骤1得到的种子液接种到农林废弃物固体培养基上，按照种子液与农林废弃物培养基比例为1:10进行接种；然后将农林废弃物固体培养基置于25℃-35℃生化培养箱，5至7天后，待菌丝长满整个农林废弃物固体培养基表面，收集得到黑曲霉孢子；

进一步地，所述步骤4中，所述黑曲霉孢子碳化具体操作为：将步骤3收集到的黑曲霉孢子在热解炉中低温碳化，碳化过程是在氩气气氛下以5℃/min的速率升温至200℃-500℃维持1小时，同时氩气的流速为100～300mL/min，碳化后的孢子，即为黑曲霉孢子电极活性材料。

进一步地，所述升温的速度为5℃/min；

在本发明具体实施方式中，黑曲霉孢子电极活性材料中，黑曲霉孢子直径2μm、呈小球状、表面具刺突、形貌规则、比表面积大；黑曲霉孢子表面的有序孔隙直径为0-4nm；

在本发明具体实施方式中，黑曲霉孢子电极活性材料中，黑曲霉孢子中C、N、O和P的含量分别为60％-70％、10％-15％、20％-25％和1％-5％；

在本发明具体实施方式中，黑曲霉孢子电极活性材料中，黑曲霉孢子表面具有-OH、-COOH、C-O、C＝O等含氧官能团和C-N键；

采用以上方案，本发明公开的基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法，具有以下优点：

(1)本发明的基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法，制备得到的黑曲霉孢子电极活性材料选择性高，对H₂O₂选择性达80％，电子转移数为2.8，黑曲霉孢子更倾向于催化2e-ORR过程，具有导电性，催化活性性能佳；

(2)本发明的基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法，制备方法操作简单，收率高，成本低，对环境友好；

综上所述，本发明公开的基于微纳米结构的黑曲霉孢子电极活性材料的制备方法，采用黑曲霉菌种进行孢子培养，并收集碳化，得到黑曲霉孢子电极活性材料；导电性、选择性、催化性佳；制备方法简单易操作，成本低。方便易得，无需进行材料的形貌及缺陷制造，电化学性能良好，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为实施例1制备的黑曲霉孢子结构模式示意图；

图2为实施例1的生长在改良马丁固体培养基上黑曲霉孢子扫描电镜(SEM)图；

图3为实施例2的生长在农林废弃物上黑曲霉孢子扫描电镜(SEM)图；

图4为试验例3的黑曲霉孢子的电化学性能曲线图；

图5为试验例4的黑曲霉孢子的傅立叶红外光谱-能谱(FTIR-EDX)分析图

图6为本发明黑曲霉孢子电极活性材料的制备流程图；

以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

具体实施方式

以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明具体实施方式公开了一种廉价易得、具有杂原子自掺杂属性、无需物理预处理即有规则微纳米形貌的材料，即黑曲霉孢子作为电芬顿阴极活性材料。黑曲霉孢子是自然界存在的形貌规则(直径2μm小球)且比表面积大的有机材料，其表面微孔隙直径为0-4nm，表面具丰富的含氧官能团，主要元素组成为C、N、O。

此外，2电子ORR反应发生的过程是，O₂从无穷远处传质到电极表面，经过电子得失后生成H₂O₂，这就需要强化两个过程：一是氧气的传质过程，二是2电子得失的过程；黑曲霉孢子表面的微孔隙可以有效的强化氧气传递，同时孢子具杂原子(N、P等)掺杂且有含氧官能团属性，可以有效强化双电子的得失过程，因此，是一种优秀的2电子ORR电极活性材料。

实施例1、黑曲霉孢子电极活性材料的制备

(1)黑曲霉菌种活化

将改良马丁液体培养基(5g蛋白胨，1g酵母粉，20g葡萄糖，1gKH₂PO₄，0.5gMgSO₄)灭菌，将购自于国家医药菌种保藏中心(CMCC)的黑曲霉菌株(菌株号：Aspergillus nigerCMCC98003)，接种到灭好菌的液体培养基中活化，后作为种子液(003)备用。

(2)固体发酵培养基准备

由改良马丁液体培养基添加琼脂粉(2％添加量)制备而成药剂配制的固体培养基(004)。

(3)黑曲霉孢子培养

吸取2ml上述(1)制备好的种子液(003)涂布到(2)的固体改良马丁培养基上(9cm直径的培养皿)进行接种；接种后的固体培养基置于28℃生化培养箱，5天后，待菌丝长满整个固体培养皿(006)，从培养皿盖表面轻轻收集，得到黑曲霉孢子(007)。

(4)黑曲霉孢子碳化

将(3)收集到的黑曲霉孢子在热解炉中低温碳化，碳化过程是在氩气气氛下以5℃/min的速率升温至300℃维持1小时，同时氩气的流速为200mL/min，碳化后的孢子，即为电极的活性材料(008)。

黑曲霉孢子电极活性材料的制备流程图如图6所示；

制备得到的黑曲霉孢子结构模式示意图如图1所示；

如图2所示，为实施例1的生长在改良马丁固体培养基上黑曲霉孢子扫描电镜(SEM)图

实施例2、黑曲霉孢子电极活性材料的制备

(1)黑曲霉菌种活化

将改良马丁液体培养基(5g蛋白胨，1g酵母粉，20g葡萄糖，1gKH₂PO₄，0.5gMgSO₄)灭菌，将自然界筛得的黑曲霉菌种(001)，接种到灭好菌的液体培养基中活化，后作为种子液(003)备用。

(2)固体发酵培养基准备

将水稻秸秆切断成长度为2cm的小段，按质量体积比为1:1与水混合，无需外加碳氮源，得到农林废弃物固体培养基(005)。

(3)黑曲霉孢子培养

吸取2ml上述(1)制备好的种子液(003)，接种到农林废弃物固定培养基(005)上，则按照种子液与农林废弃物固定培养基比例为1:10进行接种。接种后的培养基置于25℃生化培养箱，7天后，待菌丝长满整个农林废弃物表面，从农林废弃物表面轻轻收集，得到黑曲霉孢子(007)。

(4)黑曲霉孢子碳化

将收集到的黑曲霉孢子在热解炉中低温碳化，碳化过程是在氩气气氛下以5℃/min的速率升温至200℃维持1小时，同时氩气的流速为100mL/min，碳化后的孢子，即为电极的活性材料(008)。

如图3所示，为生长在农林废弃物上黑曲霉孢子扫描电镜(SEM)图；

从图1、图2和图3的黑曲霉孢子结构模式示意图，以及黑曲霉孢子扫描电镜(SEM)图上可以看出，黑曲霉孢子为微米级的小球，直径2μm、呈小球状、表面具刺突、形貌规则、比表面积大；黑曲霉孢子表面的有序孔隙直径为0-4nm；试验例3、黑曲霉孢子电极材料性能验证

将实施例2得到的碳化后的黑曲霉孢子电极活性材料，利用旋转环盘电极进行电化学性能测试，结果如图4所示；

图4(a)和(b)表明黑曲霉孢子阴极催化产H₂O₂选择性达80％且其电子转移数为2.8，表明黑曲霉孢子更倾向于催化2e-ORR过程；

图4(c)和(e)表明其作为电极活性材料具有一定的导电性；

此外，图4(d)表明黑曲霉孢子也可作阳极产H₂O₂，相较于石墨具有较好的2e-ORR活性(图4(f))；

试验例4、黑曲霉孢子的化学属性测定

将实施例1得到的黑曲霉孢子利用能谱(EDX)和傅立叶红外光谱(FTIR)分析了黑曲霉孢子中的元素含量和官能团；结果如图5所示；

图5(a)表明黑曲霉孢子中C、N、O和P的含量分别为60％-70％、10％-15％、20％-25％和1％-5％；

图5(b)表明黑曲霉孢子表面具有-OH、-COOH、C-O、C＝O等含氧官能团和C-N键；

这些结构和特征均有利于2e-ORR的过程。

综上所述，本发明具体实施方式的黑曲霉孢子有机活性材料，黑曲霉孢子是自然界存在的形貌规则(直径2um小球)且比表面积大的有机材料，其表面微孔隙直径为0-4nm，表面具丰富的含氧官能团，主要元素组成为C、N、O；2电子ORR反应发生的过程是，O₂从无穷远处传质到电极表面，经过电子得失后生成H₂O₂，这就需要强化两个过程：一是氧气的传质过程，二是2电子得失的过程；黑曲霉孢子表面的微孔隙可以有效的强化氧气传递，同时孢子具杂原子(N、P等)掺杂且有含氧官能团属性，可以有效强化双电子的得失过程，因此，是一种优秀的2电子ORR电极活性材料。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种基于微纳米结构黑曲霉孢子的2电子ORR电极活性材料的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、黑曲霉菌种活化，将黑曲霉菌种接种至灭好菌的改良马丁液体培养基中，25-35℃进行活化得种子液，所述改良马丁液体培养基包含5g蛋白胨，1g酵母粉，20g葡萄糖，1gKH₂PO₄，0.5gMgSO₄；

步骤2、发酵固体培养基准备，发酵固体培养基为药剂配制的发酵固体培养基、或者为农林废弃物制备的发酵固体培养基，所述药剂配制的发酵固体培养基由改良马丁液体培养基添加琼脂粉制备而成，由5g蛋白胨，1g酵母粉，20g葡萄糖，1gKH₂PO₄，0.5gMgSO₄，20g琼脂粉，1L蒸馏水组成，所述农林废弃物制备的发酵固体培养基，是由水稻秸秆切断成长度为2cm的小段，按质量体积比为1:1与自来水混合制备而成，无需外加碳氮源；

步骤3、黑曲霉孢子培养，将步骤1得到的种子液涂到步骤2的发酵固体培养基上，25℃-35℃温度下进行培养，得到黑曲霉孢子；

步骤4、黑曲霉孢子碳化，将步骤3收集到的黑曲霉孢子在热解炉中低温碳化，得到目标产品黑曲霉孢子2电子ORR电极活性材料，碳化过程是在氩气气氛下以5℃/min的速率升温至200℃-500℃维持1小时，同时氩气的流速为100～300mL/min；

其中，所述黑曲霉孢子为微米级的小球，直径2μm、表面具刺突、形貌规则，黑曲霉孢子表面的孔隙直径为0-4 nm且不为0，所述黑曲霉孢子中C、N、O和P的含量分别为60%-70%、10%-15%、20%-25%和1%-5%，黑曲霉孢子表面具有-OH、-COOH、C-O、C=O含氧官能团和C-N键；

步骤1中，所述黑曲霉菌种为中国医学菌种保藏中心保存的菌株分类名称为Aspergillus niger、保藏编号为CMCC98003的黑曲霉菌株或者是自然界筛得的黑曲霉菌种。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，黑曲霉孢子培养的具体操作为：

将步骤1得到的种子液涂布到改良马丁固体培养基上；然后将改良马丁固体培养基置于25℃-35℃生化培养箱，5至7天后，待菌丝长满整个改良马丁固体培养基，收集得到黑曲霉孢子；

或者，将步骤1得到的种子液接种到农林废弃物固体培养基上，按照种子液与农林废弃物固体培养基比例为1:10进行接种；然后将农林废弃物固体培养基置于25℃-35℃生化培养箱，5至7天后，待菌丝长满整个农林废弃物固体培养基表面，收集得到黑曲霉孢子。

3.根据权利要求1~2任一所述制备方法制备得到的黑曲霉孢子2电子ORR电极活性材料，其特征在于，

所述黑曲霉孢子为微米级的小球，直径2μm、表面具刺突、形貌规则；

所述黑曲霉孢子表面的孔隙直径为0-4 nm且不为0；

所述黑曲霉孢子中C、N、O和P的含量分别为60%-70%、10%-15%、20%-25%和1%-5%；

所述黑曲霉孢子表面具有-OH、-COOH、C-O、C=O含氧官能团和C-N键。