微生物还原石墨烯修饰电极及其制备方法和应用

本发明属于生物电化学电极，涉及一种微生物还原石墨烯修饰电极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、生物电化学系统(bes)一般是双室h型反应器，从构成上讲，电极材料是影响bes系统性能最重要的关键因素。电极材料需具备高导电率、高比表面积、较低的内部阻抗、较强的机械强度、较好的生物相容性和化学稳定性等特性。金属电极表面光滑且生物相容性不高，不利于生物附着生长，且易受冲刷和腐蚀。因此，在bes中较为常用的基础电极材料主要是非金属的碳材料，如碳毡、石墨棒、碳布、碳纸等。

2、石墨烯是由单层碳六元环紧密堆积成2d蜂窝状结构的新型纳米碳材料，具备光学、电学和催化特性，被广泛应用于电化学领域。石墨烯修饰电极的方法主要是物理化学法和生物还原法，其中物理化学制备得到的石墨烯修饰bes电极能显著优化电极电化学活性，能加速电子转移速率，降低电极阻抗，但物理化学法的制备方法要求苛刻，需要高温和特定反应器，可能会引入有毒物质。因此，采用绿色、高效的生物还原石墨烯修饰电极十分必要。

3、生物还原氧化石墨烯修饰电极鲜有报道，其中在已有报道中有研究人员利用厌氧活性污泥作接种微生物还原氧化石墨烯制备得到生物还原氧化石墨烯修饰mfc阳极，使其最大功率密度达到1905±80mw/m2，其库伦效率达到54％，提高了mfc产能输出和电子传递效率。yong等(2014)利用shewanella的胞外电子转移能力组装3d多孔石墨烯复合生物膜电极，最大功率密度达到了843±31mw/m2。然而，上述方法中仍然存在以下缺点或不足：微生物对go的还原并不彻底且均匀性差，不仅难以使石墨烯稳定负载在基础电极表面，而且难以形成疏松多孔结构的石墨烯结构层，一方面，难以提高电极的导电性，另一方面，难以提高微生物附着量和生物活性，以及难以形成结构稳定的生物膜，最终导致电极的电化学性能较差。另外，利用硫还原地杆菌生物还原氧化石墨烯修饰电极的制备方法及其在bes系统的应用未见有报道。

4、因此，如何获得一种导电性好、比电容量高的微生物还原石墨烯修饰电极，对于构建电化学性能优异的生物电化学系统以及促进生物电化学系统的广泛使用具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种导电性好、比电容量高、菌株附着量多的微生物还原石墨烯修饰电极及其制备方法和应用。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种微生物还原石墨烯修饰电极的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、将基础电极材料、培养液混合，得到混合液；

5、s2、将氧化石墨烯悬浮液和硫还原地杆菌添加到步骤s1中得到的混合液中进行培养，得到微生物还原石墨烯修饰电极；所述培养的体系中氧化石墨烯的初始浓度＜1.0mg/ml。

6、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，所述培养的体系中氧化石墨烯的初始浓度为0.2mg/ml～0.8mg/ml；所述培养的体系中硫还原地杆菌的初始体积浓度为5％。

7、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，所述氧化石墨烯悬浮液和硫还原地杆菌的添加方式采用以下任意一种：

8、方式一：先将硫还原地杆菌添加到步骤s1中得到的混合液中，间隔1天～3天后，添加氧化石墨烯悬浮液；

9、方式二：将氧化石墨烯悬浮液和硫还原地杆菌同时添加到步骤s1中得到的混合液中；

10、方式三：先将氧化石墨烯悬浮液添加到步骤s1中得到的混合液中，间隔1天～3天后，添加硫还原地杆菌。

11、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，所述硫还原地杆菌的添加次数为1次或3次。

12、上述的制备方法，进一步改进的，所述氧化石墨烯悬浮液中氧化石墨烯的浓度为2mg/ml；所述氧化石墨烯悬浮液由以下方法制备得到：将氧化石墨烯与无菌盐溶液混合，超声处理1h～3h，得到氧化石墨烯悬浮液；所述无菌盐溶液中包含的盐分包括nh4cl、na2hpo4和kcl；所述硫还原地杆菌为g.sulfurreducens pca菌；所述硫还原地杆菌为处于指数生长期的菌株；所述硫还原地杆菌的od600为0.2～0.8。

13、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s1中，所述基础电极材料为碳毡、石墨棒、碳布、碳纸中的至少一种；所述基础电极材料上还负载有钛丝；所述基础电极材料在使用之前还包括以下预处理：依次将基础电极材料依次浸泡在丙酮、酸溶液、碱溶液中；所述基础电极材料在丙酮、酸溶液、碱溶液中的浸泡时间依次为24h、12h、12h；所述酸溶液为盐酸溶液；所述酸溶液的浓度为1m；所述碱溶液为氢氧化钠溶液；所述碱溶液的浓度为1m；所述培养液为改良dmsz培养液；所述改良dmsz培养液含有：1.5g/l nh4cl，0.6g/l na2hpo4，0.1g/lkcl，0.48g/l na2s·9h2o，10ml/l微量元素溶液，10ml/l wolfe维生素溶液，1ml/l亚硒酸盐-钨酸盐溶液，20mm乙酸钠，50mm富马酸钠。

14、上述的制备方法，进一步改进的，步骤s2中，所述培养在避光、静置的条件下进行；所述培养过程中往混合液中通入氮气和二氧化碳；所述氮气和二氧化碳的体积比为4∶1；所述培养过程中控制温度为25℃～35℃；所述培养的时间为7天～15天。

15、作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种微生物还原石墨烯修饰电极，所述微生物还原石墨烯修饰电极由上述的制备方法制备得到。

16、上述的微生物还原石墨烯修饰电极，进一步改进的，所述微生物还原石墨烯修饰电极包括基础电极材料，所述基础电极材料表面修饰有微生物还原石墨烯，所述微生物还原石墨烯的内部和表面附着有硫还原地杆菌并形成菌株-微生物还原石墨烯-菌株的多层三明治结构；所述微生物还原石墨烯呈多孔二维片状结构。

17、作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的微生物还原石墨烯修饰电极在构建生物电化学系统中的应用。

18、上述的应用，进一步改进的，所述生物电化学系统包括微生物燃料电池和微生物电解池；所述微生物燃料电池中，以所述微生物还原石墨烯修饰电极作为阳极；所述微生物电解池中，以所述微生物还原石墨烯修饰电极作为阴极。

19、与现有技术相比，本发明的优点在于：

20、(1)针对现有微生物还原石墨烯修饰电极的制备方法中存在的go还原速率慢、还原不彻底且均匀性差、微生物附着量低、所得电极表面难以形成生物膜或所形成的生物膜的结构稳定性差等不足，本发明创造性的提出了一种微生物还原石墨烯修饰电极的制备方法，先将基础电极材料、培养液混合制成混合液，在此基础上，加入氧化石墨烯悬浮液和硫还原地杆菌进行培养，在培养过程中，一方面，可利用硫还原地杆菌的强还原作用下将氧化石墨烯快速、彻底的还原成石墨烯，进而利用生物还原力和聚集特性，使石墨烯稳定附着在基础电极材料表面，且随着石墨烯的不断附着，可在基础电极材料表面形成波纹状和皱褶状的疏松多孔结构，另一方面，在培养过程中形成的疏松多孔结构的石墨烯纳米片，可以作为硫还原地杆菌的载体材料并为硫还原地杆菌的生长提供更多的栖息地，不仅可以进一步增加基础电极材料表面菌株的附着量，而且也能进一步提高氧化石墨烯的还原速度和还原程度，由此在基础电极材料表面形成由大量菌株和石墨烯复合而成的功能结构层，更为重要的是，在基础电极材料表面修饰由大量菌株和石墨烯复合而成的功能结构层，不仅可以显著提高电极的导电性，而且可以显著提高电极的比电容量，同时可以显著提高电极表面的生物活性和附着量，有利于形成生物活性高、稳定性好的生物膜，最终可以显著提高电极的电化学和产酸性能。本发明制备的微生物还原石墨烯修饰电极，具有导电性好、比电容量高、菌株附着量多等优点，是一种性能优异的新型电极材料，可广泛用于构建生物电化学系统，同时能够显著提高生物电化学系统的电化学性能和产酸性能，使用价值高，应用前景好。另外，本发明制备方法还具有工艺简单、易于操作、制备效率高等优点，便于大规模制备，利于工业化应用。

21、(2)本发明的制备方法中，还优化了培养的体系中氧化石墨烯的初始浓度＜1.0mg/ml，特别是，当培养的体系中氧化石墨烯的初始浓度为0.2mg/ml～0.8mg/ml，更有利于制备得到导电性更好、比电容量更高的微生物还原石墨烯修饰电极。然而，当培养的体系中氧化石墨烯的初始浓度过高或过低时，均不利于提高电极的导电性和比电容量，原因是go浓度过低，会导致生物还原的氧化石墨烯的量较少，电极表面形成较少的氧化石墨烯，会使电极应用时电极表面的生物膜难以形成或形成速率更慢，这显然会影响电极的电化学性能。过量的go会抑制硫还原地杆菌的生长，导致go还原程度降低或石墨烯附着减少，同时，在实验中通过透射电镜(tem)也发现高go添加量(>0.8mg/ml)下观察到硫还原地杆菌细胞膜受损。本发明中，石墨烯是一种多孔性碳材料，其多孔结构具有一定的电子储存能力，因而越多石墨烯被锚定在电极上，更有利于提高电极的电学性能；同时，硫还原地杆菌属于产电菌，其在碳毡表面形成了具有电化学活性的生物膜，其胞外细胞色素具有电子储存作用，即类电容效果。因此，硫还原地杆菌在电极上生长速度越快、附着量越多，越有利于形成性能优异的电极材料。

22、(3)本发明的制备方法中，还优化了氧化石墨烯悬浮液和硫还原地杆菌的添加方式，其中先添加硫还原地杆菌，再添加氧化石墨烯悬浮液，一方面，可以促进提高硫还原地杆菌对氧化石墨烯的还原程度、还原速率，从而能够将更多的菌株和石墨烯附着在电极表面，由此可以形成导电性更高、比电容更高的电极，另一方面，在硫还原地杆菌和石墨烯的共同作用下，可以显著提高电极的结构稳定性，以及更有利于在电极表面形成高活性、高稳定性的生物膜。

23、(4)本发明的制备方法中，硫还原地杆菌的添加次数为1次或3次，通过多次硫还原地杆菌，不仅可以提高石墨烯在电极表面的分散性，而且可以提高电极上菌株附着量，更为重要的是，可以形成“菌株-石墨烯-菌株”多层三明治结构，不仅可以使微生物还原石墨烯(mrgo)能够更加稳定的附着在电极表面，而且可以显著提高电极的比电容量和导电性。

24、(5)本发明中还提供了一种微生物还原石墨烯修饰电极在构建生物电化学系统中的应用，具体是将微生物还原石墨烯修饰电极作为微生物燃料电池(mfc)的阳极，不仅能够降低有机酸的消耗和增强葡萄糖代谢，而且能够提高输出电子的传递效率，同时能够通过碳链延长反应提升产酸量(尤其是可以显著提升丁酸产量)，或将微生物还原石墨烯修饰电极作为微生物燃料电池(mec)的阴极，不仅能显著增加mec阴极室内的生物群落丰富度和生物群落结构多样性，能够加速微生物电子传递速率，能够显著提高挥发性脂肪酸(vfas)的产量(尤其是可显著提高高价值的丁酸和己酸产量)，应用前景好。