一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用与流程

1.本发明涉及电极技术领域，更具体地，涉及一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用。


背景技术：

2.随着能源资源的开发与利用，带来了气候变暖、资源短缺、生态环境恶化等一些列问题，因而必须发展配套的高效储能装置来解决这些问题。目前，高效储能技术得到各个国家的广泛关注，针对蓄电池等化学二次电源在实际使用过程中出现的各种缺陷，各个国家正积极深入地开发一种物理储能的二次电源，即大容量电容器(也称为超级电容器)，超级电容器的研究主要集中在高性能电极材料的制备上，从而提高电容器的容量和能量。目前电化学电容器电极材料有多种，有碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料，复合电极材料等。
3.金属二氧化锰价格低廉，储量丰富，环境友好、电化学性能良好，是一类重要的电极材料，在电池的正极材料、离子交换剂、催化剂等领域有着广泛的应用和重要的研究前景，如何提高二氧化锰电极材料的综合性能备受关注。
4.碳材料如活性炭、石墨烯、碳黑、碳纤维、碳气凝胶、纳米碳管等，作为电化学电容器的电极材料，当前的研究主要集中在制备具有大比表面积多孔电极材料上。
5.近年来研究热点是复合电极材料在蓄电池、超级电容器等二次电源上的应用。对于廉价金属二氧化锰/碳复合电极材料的开发研究尤为重要，有效解决单一电极材料的缺陷，通过利用各组分之间的协同效应来提高二次电源的综合性能。
6.电极材料的制备方法主要有电化学沉淀法、溶胶
‑
凝胶法等，利用生物发酵制备复合电极材料的报道尚未见。研究证明某些假单胞细菌携带有特异性的锰氧化基因簇，其所编码的酶在细胞表面可催化形成锰氧化物多聚体。假单胞细菌在生长繁殖过程中会分泌多糖、蛋白质等物质，这些物质聚集在细胞表面，可以将mn
2
聚集在细胞表面，使mn
2
反应物质浓度提高，通过假单胞细菌所编码的多种酶催化可形成锰氧化物。
7.随着社会发展，人类对绿色能源和生态环境越来越关注，研究一种绿色环保的二氧化锰/石墨烯复合材料尤为重要。利用矿石土壤分离的细菌进行生物发酵，具有安全性高、绿色环保、成本低廉等特点，在绿色合成二氧化锰/石墨烯复合电极材料领域有着广阔的应用前景，弥补了电极材料制备方法在生物领域的空白。


技术实现要素：

8.本发明提出一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用，采用生物发酵法，有效利用矿石土壤中分离的细菌以及氯化锰、石墨烯共同进行发酵培养，所得二氧化锰通过细菌粘附作用均匀稳定地附着在石墨烯表面，所得复合电极材料具有清晰的形貌特征，电化学性能良好。本发明制备条件温和，可用于制备超级电容器、电池等，填补
了复合电极材料生物技术制备领域的空白。
9.本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)菌种活化：从锰矿石附近的土壤中分离出菌株m1，无菌操作接种于lb培养基平板上活化10
‑
15h，然后挑取一株活化后的菌株m1无菌操作接种到50ml lb液体培养基中，在全温振荡培养摇床中回旋振荡培养12
‑
18h得培养菌液，将培养菌液离心后弃上清液，所得沉淀加无菌水，得到活化菌液，待用；
11.(2)首次接种培养：依次将步骤(1)制备的活化菌液、氯化锰溶液无菌操作接种到lept液体培养基中，在全温振荡培养摇床中回旋振荡发酵培养，得到发酵液；
12.(3)二次接种培养：取石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的发酵液中，在全温振荡培养摇床中回旋振荡发酵培养，将培养后的发酵液高速离心，弃上清液，收集沉淀物，待用；
13.(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)收集的沉淀物进行真空冷冻干燥，得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
14.(5)高温煅烧处理：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体进行高温煅烧，得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
15.进一步地，步骤(1)所述的菌株m1为假单胞细菌。
16.进一步地，步骤(1)的培养温度为28
‑
30℃，回旋振荡速度为130
‑
180r/min；所述培养菌液分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml所述培养菌液进行离心，离心操作的速率为3000
‑
4000r/min，离心时间为2
‑
4min，离心后弃上清液，所得沉淀加入500ul无菌水，得到所述的活化菌液。
17.进一步地，步骤(2)中活化菌液的接种量为5ul/ml，氯化锰溶液的接种量为0.2
‑
1.4ul/ml，氯化锰溶液的浓度为1mol/l。
18.进一步地，步骤(2)中回旋振荡发酵培养的温度为28
‑
30℃，回旋振荡的速度为130
‑
180r/min，时间为36
‑
60h。
19.进一步地，步骤(2)中所述的lept液体培养基的组成包括：0.5g/l酵母提取物，0.5g/l casa mino acids(酪蛋白氨基酸)，1g/l葡萄糖，10mm hepes(4
‑
羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mm cac12，0.83mm mgso4，3.7μm fecl3。
20.进一步地，步骤(3)中石墨烯的接种量为0
‑
0.05mg/ml，发酵培养的时间为2
‑
3天；高速离心的速率为8000
‑
10000r/min，离心时间5
‑
15min。
21.进一步地，步骤(4)中真空冷冻干燥的温度为
‑
70℃，时间为18
‑
24h。
22.进一步地，步骤(5)中高温煅烧的具体操作为：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，在此温度下保温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，保温1h；最后将煅烧炉在180min内升温至700
‑
900℃，然后随炉冷却。
23.上述方法制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料在超级电容器与电池制备领域中的应用。
24.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
25.(1)本发明采用生物发酵法，有效利用矿石土壤中分离的细菌以及氯化锰和石墨
烯共同进行发酵培养，二氧化锰颗粒通过细菌粘附作用稳定附着在石墨烯表面，制备条件温和，分布均匀。
26.(2)本发明制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料具有清晰的形貌特征，采用生物发酵的方法成功将氯化锰中的锰元素有效利用，生物合成了二氧化锰，电化学性能良好。
27.(3)本发明制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料具有良好的电化学性能，可用于制备超级电容器、电池等，具有安全性高、绿色环保、工艺简单、操作方便等特点，填补了复合电极材料生物技术制备领域的空白。
附图说明
28.图1是实施例3制备的生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料的sem图；
29.图2是实施例3制得的生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料的电化学性能图。
具体实施方式
30.为了更好地理解本发明的内容，下面将结合实施例和附图来进一步阐述本发明。本实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
31.从锰矿石附近的土壤中分离出菌株m1(分离方法为现有技术，不再赘述)，置于冰箱中冷冻保存，使用时取出菌株m1，无菌操作接种于lb培养基平板上于28
‑
30℃活化12h左右，然后进行后续操作。所述的菌株m1具体是假单胞细菌。
32.实施例1
33.(1)菌种活化：从lb培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌m1，无菌操作接种到50ml lb液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为130r/min下回旋振荡培养12h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在3000r/min的速率下离心2min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
34.(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/l氯化锰溶液20ul，无菌操作依次接种到100ml的lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为130r/min下回旋振荡培养36h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
35.所述lept液体培养基的组成包括：0.5g/l酵母提取物，0.5g/l casa mino acids(酪蛋白氨基酸)，1g/l葡萄糖，10mm hepes(4
‑
羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mm cac12，0.83mm mgso4，3.7μm fecl3；
36.(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种0.5mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为130r/min下回旋振荡培养2天，将培养后的20瓶发酵液于8000r/min下高速离心5min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于
‑
20℃冰箱保存，待用；
37.(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于
‑
70℃冷冻干燥18h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
38.(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体
氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至700℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
39.实施例2
40.(1)菌种活化：从lb培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌m1，无菌操作接种到50ml lb液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养14h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在3500r/min的速率下离心2min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
41.(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/l氯化锰溶液40ul，无菌操作依次接种到100ml的lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于30℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养48h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
42.所述lept液体培养基的组成包括：0.5g/l酵母提取物，0.5g/l casa mino acids(酪蛋白氨基酸)，1g/l葡萄糖，10mm hepes(4
‑
羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mm cac12，0.83mm mgso4，3.7μm fecl3；
43.(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种1mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于30℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养2.5天，将培养后的20瓶发酵液于8000r/min下高速离心10min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于
‑
20℃冰箱保存，待用；
44.(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于
‑
70℃冷冻干燥18h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
45.(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至800℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
46.实施例3
47.(1)菌种活化：从lb培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌m1，无菌操作接种到50ml lb液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养16h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在3500r/min的速率下离心2min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
48.(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/l氯化锰溶液100ul，无菌操作依次接种到100ml的lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养48h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
49.所述lept液体培养基的组成包括：0.5g/l酵母提取物，0.5g/l casa mino acids(酪蛋白氨基酸)，1g/l葡萄糖，10mm hepes(4
‑
羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mm cac12，0.83mm mgso4，3.7μm fecl3；
50.(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种3mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/
min下回旋振荡培养2.5天，将培养后的20瓶发酵液于8000r/min下高速离心10min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于
‑
20℃冰箱保存，待用；
51.(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于
‑
70℃冷冻干燥20h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
52.(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至800℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
53.图1是本实施例制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的扫描电镜图，表明所制备的复合电极材料的石墨烯表面均匀附着有二氧化锰颗粒，图1中小箭头所指示的便为二氧化锰颗粒。
54.图2是本实施例制备的生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料在1a/g电流密度下的充放电曲线，表明所制备的复合电极材料具备良好的电化学性能。
55.实施例4
56.(1)菌种活化：从lb培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌m1，无菌操作接种到50ml lb液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养18h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在4000r/min的速率下离心4min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
57.(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/l氯化锰溶液120ul，无菌操作依次接种到100ml的lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养48h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
58.所述lept液体培养基的组成包括：0.5g/l酵母提取物，0.5g/l casa mino acids(酪蛋白氨基酸)，1g/l葡萄糖，10mm hepes(4
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羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mm cac12，0.83mm mgso4，3.7μm fecl3；
59.(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种5mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养3天，将培养后的20瓶发酵液于10000r/min下高速离心10min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于
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20℃冰箱保存，待用；
60.(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于
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70℃冷冻干燥24h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
61.(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至800℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
62.以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。