PL244283B1 - Sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów oraz jego zastosowanie - Google Patents

Sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów oraz jego zastosowanie Download PDF

Info

Publication number
PL244283B1
PL244283B1 PL426130A PL42613018A PL244283B1 PL 244283 B1 PL244283 B1 PL 244283B1 PL 426130 A PL426130 A PL 426130A PL 42613018 A PL42613018 A PL 42613018A PL 244283 B1 PL244283 B1 PL 244283B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
nanoparticles
composite material
bacteria
composite
carbon
Prior art date
Application number
PL426130A
Other languages
English (en)
Other versions
PL426130A1 (pl
Inventor
Andrzej Kotarba
Monika Gołda-Cępa
Monika GOŁDA-CĘPA
Zbigniew Sojka
Monika BRZYCHCZY-WŁOCH
Monika Brzychczy-Włoch
Wojciech Pajerski
Joanna Duch
Dorota Ochońska
Paulina INDYKA
Paulina Indyka
Agnieszka Brzózka
Magdalena JAROSZ
Magdalena Jarosz
Alicja Zaprzalska
Original Assignee
Univ Jagiellonski
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Jagiellonski filed Critical Univ Jagiellonski
Priority to PL426130A priority Critical patent/PL244283B1/pl
Publication of PL426130A1 publication Critical patent/PL426130A1/pl
Publication of PL244283B1 publication Critical patent/PL244283B1/pl

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N1/00—Microorganisms; Compositions thereof; Processes of propagating, maintaining or preserving microorganisms or compositions thereof; Processes of preparing or isolating a composition containing a microorganism; Culture media therefor
    • C12N1/02—Separating microorganisms from their culture media
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P1/00—Preparation of compounds or compositions, not provided for in groups C12P3/00 - C12P39/00, by using microorganisms or enzymes
    • C12P1/04—Preparation of compounds or compositions, not provided for in groups C12P3/00 - C12P39/00, by using microorganisms or enzymes by using bacteria
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
    • C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
    • C25B11/065—Carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/24—Electrodes characterised by structural features of the materials making up or comprised in the electrodes, e.g. form, surface area or porosity; characterised by the structural features of powders or particles used therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2511/00—Cells for large scale production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2513/00—3D culture
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2531/00—Microcarriers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/07—Bacillus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/36—Neisseria
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/38—Pseudomonas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/44—Staphylococcus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mycology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania materiałów kompozytowych składających się z nanocząstek faz elektroaktywnych (np. metalicznych, tlenków metali) oraz matrycy węglowej otrzymywanych z wykorzystaniem bakterii, jako czynnika wychwytującego nanocząstki z otoczenia oraz jako źródła biowęgla do wytworzenia podłoża zapewniającego wysoką dyspersję i stabilizację nanocząstek oraz przewodnictwo elektryczne. Przedmiotem zgłoszenia jest też zastosowanie do wytwarzania materiałów elektrodowych aktywnych elektrokatalitycznie np. w reakcjach ORR, do magazynowania energii elektrycznej (superkondensatory) w układach: kompozyt 3D (nanocząstki rozproszone w objętości matrycy węglowej) oraz kompozyt 2D (tworzenie warstw kompozytowych na powierzchniach kolektorów prądu, fotoelektrodach typu TCO).

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów, jako bionośników nanocząstek fazy nieorganicznej, obejmujący uzyskiwanie masy bakteryjnej oraz zastosowanie materiału kompozytowego otrzymanego tym sposobem.
Uzyskiwane zgodnie z wynalazkiem kompozyty składają się z nanocząstek faz elektroaktywnych (np. metalicznych, tlenków metali) oraz matrycy węglowej, i są otrzymywane z wykorzystaniem bakterii, jako czynnika wychwytującego nanocząstki z otoczenia oraz jako źródła biowęgla do wytworzenia podłoża zapewniającego wysoką dyspersję i stabilizację nanocząstek oraz przewodnictwo elektryczne. Wynalazek może znaleźć zastosowanie do wytwarzania materiałów elektrodowych aktywnych elektrokatalitycznie np. w reakcjach ORR, do magazynowania energii elektrycznej (superkondensatory) w układzie kompozyt 3D (nanocząstki rozproszone w objętości matrycy węglowej). W syntezie kompozytów wykorzystuje się specyficzną właściwość bakterii związaną z ładunkiem elektrycznym ich ścian komórkowych, który wynika z polarnych grup funkcyjnych obecnych na powierzchni. Ładunek ten związany jest z występowaniem w ścianach komórkowych obok peptydoglikanu, kwasów tejchojowych zawierających grupy fosforanowe, a także w przypadku bakterii gram ujemnych lipopolisacharydów itp. Dzięki takim unikatowym właściwościom bakterie charakteryzują się zdolnością do opłaszczania nanocząstkami oraz kolonizowania powierzchni i do tworzenia biofilmów. Nieoczekiwanie okazało się, że bakterie opłaszczone nanocząstkami zachowują swoją zdolność do kolonizacji powierzchni oraz że silna adhezja biofilmu do przewodzącego podłoża jest zachowana również po pirolitycznej transformacji biofilmu bakteryjnego w warstwę kompozytową.
W ostatnim okresie, ze względu na szerokie możliwości aplikacyjne, obserwuje się wzrost zainteresowania materiałami kompozytowymi zbudowanymi z funkcjonalnych nanocząstek osadzonych w matrycach węglowych. Kompozyty stanowią bowiem klasę materiałów znajdujących szerokie zastosowania w rozwijanych obecnie urządzeniach służących do magazynowania energii, a w szczególności wodoru (Yu, D., et al., Nature nanotechnology 9.7 (2014) 555), w układach fotokatalitycznych (Andriantsiferana, C., et al., Environmental technology 35.3 (2014) 355-363), sensorach chemicznych (Lorestani, F., et al., Sensors and Actuators B: Chemical 208 (2015) 389-398) czy też w szeroko pojętej bioinżynierii (Chen, Mei-Ling, et al. Langmuir 28.47 (2012) 16469-16476). Na szczególną uwagę zasługują kompozyty zbudowane z matrycy (osnowy) węglowej z rozproszonymi w niej nanocząstkami substancji nieorganicznych (najczęściej metali lub tlenków metali). W ostatnich latach materiały tego typu są szczególnie intensywnie badane w kontekście ich aplikacji jako elektrody w ogniwach paliwowych i bateriach (Hu, G. Z., etal., RscAdvances 4.2 (2014) 676-682;Zhao, X., et al., ACS applied materials & interfaces 4.3 (2012) 1350-1356; Naoi, K., et al., U.S. Patent Application No. 12/096,770, 2010).
Aktywność materiałów elektrodowych zależy w głównej mierze od natury chemicznej, morfologii, dyspersji nanocząstek fazy aktywnej, jak również od właściwości nośnika węglowego (Liu, H, et al., J. Power Sources 155 (2006) 95-110). Najczęściej takie układy otrzymuje się na drodze skomplikowanych wieloetapowych syntez z wykorzystaniem różnorodnych, często szkodliwych dla środowiska, prekursorów. Największe trudności sprawia kontrola składu, morfologii i dyspersji nanocząstek, oraz zapewnienie dobrych kontaktów elektrycznych w układzie nanocząstki-materiał węglowy-kolektor prądu, przy czym parametry te mają kluczowe znaczenia dla jakości materiału elektrodowego i transdukcji ładunku elektrycznego.
Materiały węglowe zazwyczaj otrzymuje się na drodze przetwarzania materii organicznej. Wyróżnić tu można niecałkowite spalanie zachodzące w warunkach ograniczonego dostępu tlenu (hipoksja), zgazowanie przeprowadzane w obecności pary wodnej, a także pirolizę w warunkach beztlenowych. Piroliza, w zależności od temperatury prowadzenia procesu, szybkości ogrzewania, a także czasu, ma wpływ zarówno na przebieg reakcji rozkładu, jak i naturę chemiczną otrzymywanych produktów. Ważnym aspektem wykorzystania tego procesu jest produkcja karbonizatu (biowęgla) z biomasy (Zhu et al., Environ. Pollut. 227 (2017) 98-115; Brewer et al., J. Environ. Qual. 41 (2012) 1115-1122; Ding et al., Pedosphere 27 (2017) 645-661), który znajduje potencjalne zastosowanie w energetyce, a także, jako wysokopowierzchniowy materiał do wytwarzania biofiltrów do usuwaniu zanieczyszczeń (Lam et al., J. Clean. Prod. 147 (2017) 263-272; Ghaffar et al., Environ. Pollut. 233 (2017) 1013-1023). Dzięki odpowiednio dobranym warunkom procesu możliwe jest uzyskanie materiałów węglowych różniących się m. in. porowatością, stabilnością czy też rodzajem i ilością grup funkcyjnych (Mandalet al., Sci. Total Environ. 627 (2018) 942-950; Ding et al., Pedosphere 27 (2017) 645-661). Powyższe dane wskazują, iż jakość materiałów węglowych silnie zależy nie tylko od warunków obróbki termicznej, ale w decydujący sposób od rodzaju użytego prekursora. Ze względów praktycznych najczęściej jako prekursory wykorzystuje się materiały pochodzenia roślinnego np. celulozę (Son, S., et al., U.S. Patent Application No. 15/311,033, 2017; Dumanli, A. G., Windle, A. H., Journal of Materials Science 47.10 (2012) 4236-4250).
Celem wynalazku jest uzyskanie nowatorskich materiałów kompozytowych nadających się zwłaszcza do zastosowań elektrodowych, składających się z matrycy węglowej, w której rozproszono nanocząstki nieorganiczne, zwłaszcza nanocząstki tlenkowe lub metaliczne o wysokiej dyspersji.
Nieoczekiwanie powyższy cel został osiągnięty w niniejszym wynalazku, w którym zaproponowano sposób wytwarzania materiałów kompozytowych otrzymywanych z biomasy bakteryjnej do preparatyki materiałów elektrodowych, składających się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej w formie układu 3D.
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów, jako bionośników nanocząstek fazy nieorganicznej, obejmujący uzyskiwanie masy bakteryjnej, charakteryzujący się tym, że:
masę bakteryjną uzyskuje się z bakterii wybranych spośród niepatogennych rodzajów bakterii takich jak: Staphylococcus, Stenotrophomonas, Bacillus, Pseudomonas, Neisseria, przy czym
a. masę bakteryjną miesza się z zawiesiną zawierającą nanocząstki substancji nieorganicznej o wielkości od 5 do 200 nm, przy czym stosunek liczby nanocząstek fazy nieorganicznej do liczby bakterii w mieszaninie mieści się w zakresie 10-104, a jako substancję nieorganiczną stosuje się metal lub/i tlenek metalu, zwłaszcza metal szlachetny, korzystnie złoto, platynę, pallad lub tlenek metalu przejściowego, zwłaszcza żelaza,
b. otrzymaną w etapie a) mieszaninę poddaje się pirolizie w atmosferze gazu inertnego, korzystnie Ar, podnosząc temperaturę z szybkością 1-10°C /min do uzyskania temperatury końcowej w zakresie od 450°C do 1100°C.
Korzystnie, przed przeprowadzeniem etapu b) otrzymany układ osusza się w temperaturze od pokojowej do 150°C pod ciśnieniem atmosferycznym, przez 30-120 min, korzystnie przez 45 min.
Korzystnie, do wytwarzania materiału kompozytowego stosuje się różne gatunki bakterii.
Kolejnym przedmiotem wynalazku jest zastosowanie materiału kompozytowego otrzymanego sposobem według wynalazku określonym powyżej do prowadzenia procesów elektrodowych i elektrokatalitycznych.
Korzystnie, materiał kompozytowy jest stosowany do wytwarzania materiałów elektrodowych, zwłaszcza katod do ogniw paliwowych.
Korzystnie, materiał kompozytowy jest stosowany do wytwarzania materiałów elektrodowych w superkondensatorach.
W przykładowej realizacji zawiesinę tlenku żelaza otrzymuje się metodą strąceniową z wodnych roztworów soli siarczanu(VI) żelaza(lll) oraz siarczanu(VI) żelaza(ll) przy użyciu amoniaku, natomiast zawiesinę tlenku żelaza stabilizuje się kwasem tłuszczowym, zwłaszcza wyższym kwasem tłuszczowym, korzystnie kwasem stearynowym lub oleinowym.
W przykładowej realizacji, jako bionośniki nanocząstek oraz źródło węgla wykorzystuje się mikroorganizmy. Co istotne, sterując przebiegiem procesów inkubacji i pirolizy można ukierunkować syntezę na wytworzenia porowatych kompozytów trójwymiarowych (typu 3D).
W proponowanym rozwiązaniu źródłem materii organicznej do wytwarzania kompozytów typu materiał węglowy-nanocząstki nieorganiczne do zastosowań jako materiały elektrodowe są kolonie bakteryjne, które zostały opłaszczone nanocząstkami metali lub tlenków metali. Komórki bakteryjne bowiem, podobnie jak komórki organizmów wyższych, zawierają białka, kwasy nukleinowe, fosfolipidy, polisacharydy oraz składniki mineralne. Skład chemiczny komórki bakteryjnej różni się w zależności od szczepu. Przykładowo, średni skład pierwiastkowy dla suchej masy bakteryjnej przedstawiono w Tabeli 1 (Metcalf and Eddy, Wastewater Engineering Treatment and Reuse (2003), Todar's online textbook of bacteriology. (2004)).
PL 244283 Β1
Tabela 1: Średni skład pierwiastkowy suchej masy bakteryjnej
Pierwiastek_________% suchej masy , C50,0
O22,0
H9 0
S1,0
Na10
Ca0,5
Fe0,2 pozostałe 0,3
W ujawnionym sposobie wykorzystuje się naturalną zdolność bakterii do zasiedlania dostępnych powierzchni, wychwytywania na powierzchni ścian komórkowych nanocząstek oraz tworzenia zwartych trójwymiarowych kolonii bakteryjnych. Odpowiedni dobór rodzaju bakterii (różny ładunek powierzchniowy) oraz parametrów procesu inkubacji (czas, temperatura, lepkość, stężenie nanocząstek, pH, obecność substancji pomocniczych etc.) pozwala na precyzyjną kontrolę w szerokim zakresie składu, struktury i parametrów fizykochemicznych powstałego biofilmu. Uzyskany biofilm można następnie przekształcić w prosty sposób na drodze pirolizy w materiał kompozytowy, składający się z węglowej osnowy z jednorodnie rozproszonymi nanocząstkami. Morfologię i skład fazowy warstwy węglowej można kontrolować optymalizując warunki kalcynacji biorąc pod uwagę specyfikę konkretnej aplikacji. Tak wytwarzane materiały kompozytowe mogą być wykorzystane na przykład jako: katody w reakcji ORR (ang. oxygen reduction reaction) stosowanej w ogniwach paliwowych, materiały magazynujące wodór, czy też do wytwarzania superkondesatorów.
Zaletą zaproponowanego sposobu wytwarzania warstw kompozytowych jest możliwość ich łatwego domieszkowania natywnymi heteroatomami niemetali, takimi jak: siarka, fosfor, azot oraz jonami metali np. żelaza, manganu etc. Rodzaj domieszkowania można kontrolować poprzez dobór szczepu bakterii wykazującego zdolność do akumulacji danego pierwiastka. Na przykład dotację siarką można uzyskać stosując bakterie z rodzaju Chlorobium spp. czy Thioploca spp., (Cork et al., Appl Environ Microbiol. 49 (1985) 269-272; Sayama M., Appl. Environ. Microbiol. 67 (2001) 3481-3487), azotem Azotobacter spp., Nitrosomonas spp.., Rhizobium spp. (Guo et al., Sci. Rep. 5 (2015): 120; Resendis et a!., BMC Systems Biology, 5 (2011)), a żelazem Geobacter spp., Escherichia spp., Bacteroides spp. (Andrews et al., FEMS Microbiol Rev. 27 (2003) 215-237; Luefet al., ISME J. 7 (2013) 338-350) manganem, wapniem, magnezem i cynkiem: Lactobacillus spp., Streptococcus spp., Staphylococcus spp., Psuedomonas spp., (Lew et al., J Appl Microbiol.,114 (2012) 526-535; Lisher et al. Front Celi Infect Microbiol. 3 (2013); Nyekachi etal. Environ. Sci. Technol. 52 (2018) 3412-3421).
Szczegółowy opis wynalazku
Cel wynalazku stanowi możliwość wykorzystania mikroorganizmów o różnych rozmiarach, kształcie, morfologii i składzie pierwiastkowym do preparatyki kompozytowych układów typu 3D. Do wychwytu nanocząstek oraz pokrycia powierzchni przez mikroorganizmy wykorzystuje się naturalną cechę bakterii związaną z ich specyficznym ładunkiem powierzchniowym. Proces pirolizy komórek z zaadsorbowanymi nanocząstkami prowadzi do powstania kompozytu: materiał węglowy-nanocząstki substancji nieorganicznej. Warunki pirolizy prowadzą do powstania różnego rodzaju nośników węglowych, w szczególności o różnym stosunku form grafitycznych i amorficznych. W zależności od przyjętego wariantu i uformowania biomasy bakteryjnej przed procesem pirolizy można uzyskać materiały kompozytowe typu 3D.
Ogólny schemat preparatyki, uzyskiwanych układów kompozytowych typu 3D przedstawiono na Fig. 1. Panel górny przedstawia schematyczny przebieg realizacji sposobu według wynalazku, natomiast w panelu dolnym zamieszczono eksperymentalne wyniki uzyskane w przykładowych realizacjach zaprezentowanych w opisie. W początkowym etapie syntezy mikroorganizmy opłaszcza się nanocząstkami fazy aktywnej. Powstały konglomerat bakterie + nanocząstki poddaje się pirolizie prowadzącej do otrzymania materiału kompozytowego, w którym źródłem węgla jest biomasa bakteryjna. Proces pirolizy można prowadzić w całej objętości biomasy 3D.
W zależności od zastosowanych parametrów procesu pirolizy można otrzymać materiał węglowy o kontrolowanej strukturze. Naturę chemiczną materiału węglowego powstałego w wyniku pirolizy mikroorganizmów zbadano spektroskopią Ramana. Na otrzymanych przykładowych widmach obecne są dwa charakterystyczne dla materiałów węglowych pasma: D (1360 cm-1), które jest związane z obecnością węgla amorficznego w próbce oraz G (1580 cm-1), które jest wyznacznikiem powstawania uporządkowanej struktury grafenowej. Na Fig. 2 przedstawiono dekompozycję widm ramanowskich materiałów węglowych, złożonych z pięciu składowych pasm pochodzących od krawędzi grafenu (D1), jego płaszczyzn (D2), polienów (D4), węgla amorficznego (D3) oraz węgla grafitycznego (G). Procentowy udział poszczególnych pasm różni się w zależności od warunków prowadzenia procesu pirolizy, a w szczególności temperatury końcowej.
Dobór warunków inkubacji bakterii z zawiesiną nanocząstek, takich jak rodzaj zastosowanych mikroorganizmów, stosunek ilości nanocząstki/bakterie, czas inkubacji pozwala na kontrolowane sterowanie ilością fazy aktywnej elektrochemicznie w powstałym kompozycie.
Dla lepszego objaśnienia wynalazku został on zilustrowany następującymi figurami:
Fig. 1, na której przedstawiono ogólny schemat preparatyki układu kompozytowego 3D.
Fig. 2, na której przedstawiona została dekompozycja widm ramanowskich materiałów węglowych otrzymanych w wyniku pirolizy bakterii S. carnosus z zastosowaniem różnej temperatury końcowej pirolizy.
Fig. 3, na której przedstawiono przebieg procesu pyrolizy bakterii S. carnosus z nanocząstkami Fe2O3 prowadzący do utworzenia kompozytu węglowego.
Fig. 4, na której przedstawiono widmo Ramana węglowego kompozytu 3D w wyniku pirolizy bakterii S. carnosus w temperaturze 950°C.
Fig. 5, na której przedstawiona została krzywa liniowej woltamperometrii dla testowanego materiału kompozytowego typu 3D zarejestrowana w 0.1 M NaOH dla szybkości obrotów elektrody pracującej 1600 rpm przy szybkości skanowania 5 mV s-1.
Przykład 1. Synteza materiału kompozytowego w formie 3D
Synteza nanocząstek fazy aktywnej elektrokatalitycznie
Prekursor nanocząstek tlenku żelaza (faza elektroaktywna) został otrzymany metodą strąceniową z wodnych roztworów soli siarczanu(VI) żelaza(lll) (Sigma Aldrich) oraz siarczanu(VI) żelaza(ll) (Chempur) przy użyciu amoniaku. Otrzymane nanocząstki tlenku żelaza stabilizowano kwasem oleinowym. Tak przygotowane nanocząstki scharakteryzowano metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Przykładowe zdjęcie nanocząstek tlenku żelaza przedstawiono na Fig. 1. Otrzymane nanocząstki charakteryzują się dobrą dyspersją oraz dużą jednorodnością rozmiarów w zakresie 5-15 nm.
Hodowla masy bakteryjnej
Do otrzymania matrycy biowęglowej wykorzystano mikroorganizmy Staphylococcus carnosus subsp. carnosus (DSM 20501), które hodowano przez 18 h w płynnej pożywce TSB (ang. Tryptic Soy Broth). Otrzymane hodowle bakteryjne wysiewano jałowymi wymazówkami (Medlab Products, Polska) w trzech kierunkach w celu uzyskania równomiernego wzrostu zlewnego na całej powierzchni płytki. Posiane płytki inkubowano przez 24 h w temperaturze 37°C. Uzyskaną masę bakteryjną zbierano jałowymi szpatułkami i przenoszono do jałowych probówek typu Falcon. Zdjęcie mikroskopowe bakterii przedstawiono na Fig. 1. Wyhodowane bakterie charakteryzują się kulistym kształtem o średnicy ~0,8 μm. Ładunek powierzchniowy bakterii w środowisku obojętnym wynosił -35 mV.
Wytwarzanie materiału kompozytowego typu 3D g masy bakteryjnej zmieszano z 12 ml prekursora nanocząstek fazy aktywnej. Ilość zastosowanej masy bakteryjnej i prekursora nanocząstek dobrano tak, aby stosunek liczby nanocząstek tlenku żelaza do bakterii wynosił ~100. Homogeniczność mieszaniny zapewniono przy użyciu mieszadła mechanicznego (szybkość obrotów 500 rpm, czas 45 min). Otrzymaną zawiesinę umieszczano w ceramicznej łódeczce i suszono w temperaturze 150°C przez 30 min w warunkach atmosferycznych. Wysuszony materiał poddano pirolizie w przepływie argonu (50 cm3/min) ogrzewając próbkę z szybkością 10°C/min do temperatury końcowej 950°C. W tej temperaturze końcową kalcynację prowadzono przez 1 h. Proces pyrolizy śledzono poprzez pomiary ubytku masy metodą termograwimetryczną (Mettler
PL 244283 Β1
Toledo). Jako próbkę odniesienia stosowano puste naczyńko pomiarowe wykonane z tlenku glinu. Typowy przebieg procesu pyrolizy bakterii z nanocząstkami Fe2Os prowadzący do utworzenia kompozytu węglowego przedstawiono na Fig. 3. Profil zmian masy wskazuje, że w temp 450°C jej ubytek wynosił 90%, a substancją pozostałą był kompozyt węglowy z nanocząstkami.
Charakterystyka otrzymanego kompozytu nanocząstki tlenku żelaza (faza elektroaktywna) w matrycy węglowej
Skład chemiczny kompozytu wyznaczono metodą fluorescencji rentgenowskiej XRF. Zawartość procentowa tlenku żelaza w kompozycie wynosiła 7% wagowych.
Na Fig. 4. przedstawiono widmo ramanowskie otrzymanego kompozytu typu 3D powstałego w wyniku pirolizy opłaszczonych nanocząstkami bakterii S. camosus dla temperatury końcowej 950°C. Zaprezentowane widmo poddano dekonwolucji na poszczególne frakcje: D1 - krawędzie grafenu, D2 płaszczyzny grafenu, D4 - polieny, D3 - węgiel amorficzny oraz G - węgiel grafityczny. Ich udział w otrzymanym kompozycie węglowym przedstawiono w Tabeli 2.
Tabela 2. Udział poszczególnych frakcji w otrzymanym kompozycie węglowym
Frakcja Pasmo Zawartość procentowa / %
, polieny ‘.A ” D4 h „ rł ’ifX t ^5 1 3
krawędzie grafenu Dl 44
węgiel amorficzny !D3 . . w J
węgiel grafityczny G 26
płaszczyzny grafenu D2 5
Zdjęcie wytworzonego kompozytu nanocząstek tlenku żelaza w matrycy węglowej, wykonane przy pomocy transmisyjnej mikroskopii elektronowej, przedstawiono na Fig. 1. Wielkość krystalitów Fe2Os wynosi 10-15 nm.
Aktywność elektrokatalityczna otrzymanego kompozytu
Aktywność elektrokatalityczna sprawdzono w reakcji redukcji tlenu (ORR, ang. oxygen reduction reaction) w środowisku zasadowym. Zawiesinę do pokrycia elektrody przygotowano przez zmieszanie 2 mg kompozytu węglowego, 680 pl roztworu H2O: izopropanol (1:1) oraz 10 μΙ 5% roztworu Nafionu. Tak przygotowana zawiesina została poddana sonikacji w płuczce ultradźwiękowej przez 60 min w celu uzyskania homogeniczności. Następnie 24,5 μΙ zawiesiny zostało naniesione kroplami na powierzchnię elektrody pracującej (elektroda z węgla szklistego) o średnicy 5 mm.
Testy elektrochemiczne przeprowadzono w klasycznym układzie trójelektrodowym przy użyciu potencjostatu AUTOLAB PGSTAT 302 N. Pomiary prowadzono w 0.1 M roztworze wodorotlenku sodu. Przed każdym pomiarem, w celu uzyskania stabilnej powierzchni katalizatora, wykonywano woltamperometrię cykliczną (CV, ang. Cyclic Voltammetry) z szybkością 20 mV/s w elektrolicie nasyconym azotem. Pomiary woltamperometrii liniowej (LSV, ang. Linear Sweep Voltammetry) prowadzono w elektrolicie nasyconym tlenem z szybkością 5 mV s’1, przy różnych szybkościach obrotu elektrody pracującej (100-2400 rpm). Na Fig. 5 przedstawiono wyniki otrzymane dla szybkości obrotów równej 1600 rpm.
Przedstawione przykładowe wyniki pomiarów aktywności elektrokatalitycznej w reakcji ORR potwierdzają, że badany materiał kompozytowy 3D może znaleźć zastosowanie do wytwarzania katod do ogniw paliwowych.

Claims (6)

1. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów, jako bionośników nanocząstek fazy nieorganicznej, obejmujący uzyskiwanie masy bakteryjnej, znamienny tym, że:
masę bakteryjną uzyskuje się z bakterii wybranych spośród niepatogennych rodzajów bakterii takich jak: Staphylococcus, Stenotrophomonas, Bacillus, Pseudomonas, Neisseria, przy czym a. masę bakteryjną miesza się z zawiesiną zawierającą nanocząstki substancji nieorganicznej o wielkości od 5 do 200 nm, przy czym stosunek liczby nanocząstek fazy nieorganicz nej do liczby bakterii w mieszaninie mieści się w zakresie 10-104, a jako substancję nieorganiczną stosuje się metal lub/i tlenek metalu, zwłaszcza metal szlachetny, korzystnie złoto, platynę, pallad lub tlenek metalu przejściowego, zwłaszcza żelaza,
b. otrzymaną w etapie a) mieszaninę poddaje się pirolizie w atmosferze gazu inertnego, korzystnie Ar, podnosząc temperaturę z szybkością 1-10°C /min do uzyskania temperatury końcowej w zakresie od 450°C do 1100°C.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed przeprowadzeniem etapu b) otrzymany układ osusza się w temperaturze od pokojowej do 150°C pod ciśnieniem atmosferycznym, przez 30-120 min, korzystnie przez 45 min.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do wytwarzania materiału kompozytowego stosuje się różne gatunki bakterii.
4. Zastosowanie materiału kompozytowego otrzymanego sposobem określonym w powyższych zastrzeżeniach do prowadzenia procesów elektrodowych i elektrokatalitycznych.
5. Zastosowanie według zastrz. 4, znamienne tym, że materiał kompozytowy jest stosowany do wytwarzania materiałów elektrodowych, zwłaszcza katod do ogniw paliwowych.
6. Zastosowanie według zastrz. 4, znamienne tym, że materiał kompozytowy jest stosowany do wytwarzania materiałów elektrodowych w superkondensatorach.
PL426130A 2018-06-29 2018-06-29 Sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów oraz jego zastosowanie PL244283B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL426130A PL244283B1 (pl) 2018-06-29 2018-06-29 Sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów oraz jego zastosowanie

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL426130A PL244283B1 (pl) 2018-06-29 2018-06-29 Sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów oraz jego zastosowanie

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL426130A1 PL426130A1 (pl) 2020-01-02
PL244283B1 true PL244283B1 (pl) 2024-01-03

Family

ID=69160786

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL426130A PL244283B1 (pl) 2018-06-29 2018-06-29 Sposób wytwarzania materiału kompozytowego 3D składającego się z nanocząstek fazy nieorganicznej rozproszonych w matrycy węglowej, z wykorzystaniem mikroorganizmów oraz jego zastosowanie

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL244283B1 (pl)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113257990B (zh) * 2021-04-23 2024-02-09 苏州攀特电陶科技股份有限公司 多层压电陶瓷执行器用贱金属内电极材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
PL426130A1 (pl) 2020-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yaqoob et al. Self-assembled oil palm biomass-derived modified graphene oxide anode: an efficient medium for energy transportation and bioremediating Cd (II) via microbial fuel cells
Xu et al. Sulfur-doped graphitic carbon nitride decorated with graphene quantum dots for an efficient metal-free electrocatalyst
Tahir et al. Nickel ferrite/MXene-coated carbon felt anodes for enhanced microbial fuel cell performance
Mohamed et al. Bioelectricity generation using iron (II) molybdate nanocatalyst coated anode during treatment of sugar wastewater in microbial fuel cell
Wei et al. A high-performance metal-free hydrogen-evolution reaction electrocatalyst from bacterium derived carbon
Chen et al. Cobalt nitrides as a class of metallic electrocatalysts for the oxygen evolution reaction
Nandgaonkar et al. A one-pot biosynthesis of reduced graphene oxide (RGO)/bacterial cellulose (BC) nanocomposites
Sun et al. Semimetallic molybdenum disulfide ultrathin nanosheets as an efficient electrocatalyst for hydrogen evolution
EP3672727A1 (en) N- and o-doped carbon with high selectivity for electrochemical h2o2 production in neutral condition
Zhao et al. Enhanced oxygen reduction of multi-Fe 3 O 4@ carbon core–shell electrocatalysts through a nanoparticle/polymer co-assembly strategy
Zhao et al. Phosphonate-derived nitrogen-doped cobalt phosphate/carbon nanotube hybrids as highly active oxygen reduction reaction electrocatalysts
Joshi et al. Boron-doped graphene as electrocatalytic support for iridium oxide for oxygen evolution reaction
Huang et al. Bimetallic Co–Mo sulfide/carbon composites derived from polyoxometalate encapsulated polydopamine-decorated ZIF nanocubes for efficient hydrogen and oxygen evolution
Deng et al. Tuning the interface of Ni@ Ni (OH) 2/Pd/rGO catalyst to enhance hydrogen evolution activity and stability
Zhou et al. Carbon nanoparticles of Chinese ink-wrapped natural loofah sponge: a low-cost three-dimensional electrode for high-performance microbial energy harvesting
Ma et al. Co 3 ZnC core–shell nanoparticle assembled microspheres/reduced graphene oxide as an advanced electrocatalyst for hydrogen evolution reaction in an acidic solution
Li et al. Layer-by-layer assembly of Au and CdS nanoparticles on the surface of bacterial cells for photo-assisted bioanodes in microbial fuel cells
Ouzi et al. Carbon paste/LDH/bacteria biohybrid for the modification of the anode electrode of a microbial fuel cell
KR20210057653A (ko) 지속적인 물 분해를 위해 폐 효모를 이용한 다중 헤테로원자로 도핑된 탄소 촉매, 이를 포함한 물 분해 장치 및 이의 제조 방법
Tang et al. Pyrolyzing pyrite and microalgae for enhanced anode performance in microbial fuel cells
Chen et al. Nano-Fe3O4 coated on carbon monolith for anode enhancement in microbial fuel cells
Madan et al. Anodic corrosion of heteroatom doped graphene oxide supports and its influence on the electrocatalytic oxygen evolution reaction
Zhang et al. Self‐assembly Mesoporous FeP Film with High Porosity for Efficient Hydrogen Evolution Reaction
Cai et al. Contribution of carbon support in cost-effective metal oxide/carbon composite catalysts for the alkaline oxygen evolution reaction
Tang et al. Porous hollow carbon tube derived from kapok fibres as efficient metal-free oxygen reduction catalysts