一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯的制備方法。首先配制電池陽極液和陰極液，在陽極接入混合細(xì)菌后組裝成微生物燃料電池，使微生物燃料電池混合細(xì)菌適量增殖。用改進(jìn)Hummer法制備的的氧化石墨烯在去離子水中超聲分散得氧化石墨烯懸液，將其按一定比例加入到微生物燃料電池陽極液中，在厭氧條件下混合培養(yǎng)，微生物燃料電池混合細(xì)菌在破壞含氧官能團(tuán)同時在石墨烯中引入氮元素。培養(yǎng)完畢，用鹽酸、乙醇、去離子水洗滌、干燥得到純凈的氮摻雜石墨烯。
【專利說明】一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，特別是涉及一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯的制備方法，具體指用微生物燃料電池混合細(xì)菌處理氧化石墨烯進(jìn)行摻氮的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池除了具有一般燃料電池高效的特點外，還兼具原料來源廣泛、操作條件溫和等優(yōu)點。微生物燃料電池屬于一種全新的生物質(zhì)能利用形式。現(xiàn)有的研究均顯示，混菌微生物燃料電池的產(chǎn)電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純菌的微生物燃料電池，這說明了混菌微生物燃料電池有更快的電子轉(zhuǎn)移能力。
[0003]石墨烯是是厚度在納米尺度的二維材料，氮摻雜是調(diào)節(jié)其半導(dǎo)體材料性質(zhì)的重要手段。目前，制備氮摻雜石墨烯的方法主要有化學(xué)氣相沉積法、氨源熱處理氧化石墨烯法、氮等離子放電法、電弧放電法、氨電熱反應(yīng)法、溶劑熱法和含氮前驅(qū)體轉(zhuǎn)換法。
[0004]然而，石墨烯的制備方法普遍存在著能耗、污染的問題，例如，一種氮摻雜石墨烯的制備方法(CN102120572B)，將原料氧化態(tài)石墨烯和三聚氰胺混合研磨后置于密閉惰性氣體中加熱以進(jìn)行高溫?zé)徇€原和氮摻雜反應(yīng)，所需反應(yīng)溫度700— 1200°C，高溫條件使成本上升；又如非金屬襯底表面制備氮摻雜石墨烯的方法(CN103526182A)，在非金屬襯底上進(jìn)行化學(xué)氣相沉積制備氮摻雜石墨烯，其過程包含階梯升溫、惰性氣體保護(hù)等繁瑣環(huán)節(jié)；這些因素不利于氮摻雜石墨烯的量產(chǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于以微生物燃料電池混合細(xì)菌在厭氧條件下優(yōu)良的電子的轉(zhuǎn)移能力為依據(jù)，利用其將氮引入到石墨烯結(jié)構(gòu)中，制備出低缺陷的氮摻雜石墨烯。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于:以微生物燃料電池混合細(xì)菌在厭氧條件下優(yōu)良的電子的轉(zhuǎn)移能力為依據(jù)，將氮引入到石墨烯結(jié)構(gòu)中，制備出低缺陷的氮摻雜石墨烯，具體步驟如下:
第一步，將改進(jìn)Hummers法制備的氧化石墨烯分散都水中，超聲分散，形成均勻的氧化石墨烯懸液；
第二步，配制微生物燃料電池陽極液和陰極液，在陽極接入微生物燃料電池混合細(xì)菌，組成電池后，通氮氣以除去空氣，在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)增殖，獲得含有豐富細(xì)菌的電池陽極菌液；其中，所述的陽極液成分包括:葡萄糖，NaHCO3, NH4Cl, NaH2PO4, (NH4)2SO4, KCl,CaCl2, MnSO4, FeCl3, Na2HPO4 ? 12H20, MgSO4 ;陰極液成分包括:鐵氰化鉀，NaH2PO4 ? 2H20,Na2HPO4 ? 12H20, pH 為 6.5-7.5 ；
第三步，將氧化石墨烯懸液與微生物燃料電池陽極液混合，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)，進(jìn)行生物摻氮；
第四步，將第三步的摻氮石墨烯靜置，棄去上清液，加入稀鹽酸超聲，然后用乙醇、去離子水清洗滌至PH為中性，最后對純凈的石墨烯進(jìn)行干燥。
[0007]第一步中所述氧化石墨烯懸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%-5% ;氧化石墨烯懸液與微生物燃料電池陽極液體積比為1:1-1:20。
[0008]第二步中所述的陽極液成分包括:葡萄糖2.0g/L，NaHCO3 3.13g/L, NH4Cl
0.31g/L, NaH2PO4 4.97g/L, (NH4)2SCM 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl2 15mg/L, MnSO420mg/L, FeCl3 lmg/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.93g/L, MgSO4 0.2g/L ;陰極液成分包括:鐵氰化鉀 16.5g/L, NaH2PO4 ? 2H20 0.4g/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.0g/L。
[0009]第二步中通氮氣時間為20min以上，培養(yǎng)溫度為25_35°C。
[0010]第四步中所述稀鹽酸物質(zhì)的量濃度為0.l_5mol/L。
[0011]第四步中所述的干燥采用普通真空干燥或真空冷凍干燥，普通真空干燥溫度為25-100°C，干燥時間2-48h ;真空冷凍干燥溫度為_2(T _80°C，真空度≤160Pa，干燥時間為8-10h。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是:(1)微生物燃料電池陽極混合細(xì)菌可以通過生物還原酶及電子載體的作用進(jìn)行更快的電子傳輸，實現(xiàn)更快的氧化石墨烯的還原和摻氮；(2)微生物燃料電池混合細(xì)菌摻氮的石墨烯降低了石墨烯的結(jié)構(gòu)缺陷，最大限度保持了石墨烯的原有優(yōu)異特性；(3)微生物燃料電池混合細(xì)菌摻氮石墨烯制備石墨烯，避免了有害化學(xué)試劑的使用 ，同時生物法氮摻雜條件溫和，提升了石墨烯的血液相溶性，有望用于生物器件。
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯的制備流程圖。
[0015]圖2是本發(fā)明一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯和幾種物質(zhì)的X射線光電子能譜對比圖像(MG-1是混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯、CGO是化學(xué)還原法制備的的石墨烯、CG是石墨烯)
圖3是本發(fā)明實施例1微生物還原制備氮摻雜石墨烯的能量色散X射線光譜，圖內(nèi)三張小圖分別是場發(fā)射掃描電鏡圖像(a)和all euler orientaion mapping圖像(b, C)。
【具體實施方式】
[0016]下面的實施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明。
[0017]結(jié)合附圖1，本發(fā)明一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯，由以下制備方法得到:
第一步，將改進(jìn)Hummers法制備的氧化石墨烯分散都水中，超聲分散，形成均勻的氧化石墨烯懸液；
第二步，配制微生物燃料電池陽極液和陰極液，在陽極接入微生物燃料電池混合細(xì)菌，組成電池后，通氮氣以除去空氣，在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)增值，獲得含有豐富細(xì)菌的電池陽極菌液；
第三步，將氧化石墨烯懸液與微生物燃料電池陽極液混合，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)，進(jìn)行生物摻氮；第四步，將第三步的摻氮石墨烯靜置、棄去上清液，加入稀鹽酸超聲，然后用乙醇、去離子水清洗至PH為中性，最后對純凈的石墨烯進(jìn)行干燥。
[0018]本發(fā)明的陽極原始菌種源自南京城東污水處理廠的厭氧污泥，已經(jīng)過本課題組馴化培養(yǎng)分離，經(jīng)生理生化實驗并比對伯杰細(xì)菌鑒定手冊，確定該菌屬于葡萄球菌屬{staphylococcus),兼性厭氧。
[0019]實施例1
第一步，制備氧化石墨烯懸液。
[0020]在IL三角瓶中加入IOg氧化石墨烯，向三角瓶中加入去離子水至400mL，超聲處理30min，得到分散性能較好的氧化石墨烯懸液；
第二步，組裝微生物燃料電池。
[0021]配制微生物燃料電池陰極和陽極溶液各200mL，自然pH值，陽極液接種10%混合細(xì)菌種子液，組裝成電池后陽極通20min N2除去氧氣，最后30°C恒溫培養(yǎng)箱中靜止厭氧培養(yǎng)5d。其中燃料電池陽極液成分包括:葡萄糖2.0g/L，NaHCO3 3.13g/L, NH4Cl 0.31g/L, NaH2PO4 4.97g/L, (NH4)2SO4 0.56g/L, KCl 0.13g/L, CaCl2 15mg/L, MnSO4 20mg/L,FeCl3 lmg/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.93g/L, MgSO4 0.2g/L ;陰極液成分包括:鐵氰化鉀 16.5g/L, NaH2PO4 ? 2H20 0.4g/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.0g/L。
[0022]第三步，混合細(xì) 菌摻氮。
[0023]將生長5d的微生物燃料電池陽極液分裝至2個250mL的三角瓶，每瓶的裝量IOOmL,每瓶氧化石墨烯懸液的裝量為50mL，每瓶通入20min的N2,以除去溶解氧。將瓶口密封，防止氧氣進(jìn)入，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)5d，30°C，得到氮摻雜石墨烯粗產(chǎn)品。
[0024]第四步，純化氮摻雜石墨烯粗產(chǎn)品。
[0025]將第三步生物還原完畢的發(fā)酵液靜置，傾倒去上清液，加入lmol/L稀鹽酸IOOmL超聲20min后以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min ;傾去上清液,用80%乙醇溶液清洗沉淀,攪拌均勻，室溫下靜止Ih,以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液,最后用去離子水洗到中性，置于真空冷凍箱中，_50°C，真空度< 160Pa，干燥時間為48h，得到純凈的石墨烯。
[0026]第五步，產(chǎn)品表征。
[0027]對產(chǎn)品進(jìn)行X射線光電子能譜測試，并與化學(xué)還原的石墨烯比較，如圖2所示。微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯與化學(xué)還原的石墨烯對比在400eV多出N(Is)峰，說明微生物燃料電池混合細(xì)菌將氮接入石墨烯結(jié)構(gòu)。
[0028]對得到的摻雜石墨烯作能量色散X射線光譜、場發(fā)射掃描電鏡和All EulerOrientaion Mapping觀察。如圖3所示,可以看到氮摻雜的石墨烯中氮元素數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多余殘余的氧元素。
[0029]實施例2
本發(fā)明一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯，包括以下步驟:
第一步，制備氧化石墨烯懸液。在IL三角瓶中加入15g氧化石墨烯，向三角瓶中加入去離子水至300mL,超聲處理20min,得到分散性能較好的氧化石墨烯懸液；
第二步，組裝微生物燃料電池。配制微生物燃料電池陰陽極溶液各200mL，陽極液接種10%混合細(xì)菌種子液，組裝成電池后，陽極液中通入20min的N2,在30°C恒溫培養(yǎng)箱中靜止厭氧培養(yǎng)5d，其中燃料電池陽極液成分包括:葡萄糖2.0g/L，NaHCO3 3.13g/L, NH4Cl0.31g/L, NaH2PO4 4.97g/L, (NH4)2SCM 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl2 15mg/L, MnSO420mg/L, FeCl3 lmg/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.93g/L, MgSO4 0.2g/L ;陰極液成分包括:鐵氰化鉀 16.5g/L, NaH2PO4 ? 2H20 0.4g/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.0g/L。
[0030]第三步，混合細(xì)菌摻氮。將生長5d的微生物燃料電池陽極液分裝至4個250mL的三角瓶，每瓶的裝量50mL，每瓶氧化石墨烯懸液的裝量為50mL，每瓶通入30min的N2,以除去溶解氧。將瓶口進(jìn)行密封，防止氧氣進(jìn)入，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)5d，35°C，得到氮摻雜石墨稀粗廣品。
[0031]第四步，純化氮摻雜石墨烯粗產(chǎn)品。將第三步生物還原完畢的發(fā)酵液靜置，傾倒去上清液，加入lmol/L稀鹽酸IOOmL超聲15min后以5000r/min轉(zhuǎn)速離心30min ;傾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀,攪拌均勻，室溫下靜止Ih,以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液，最后用去離子水清洗沉淀直至中性，置于真空冷凍箱中，-500C，真空度< 160Pa，干燥時間為36h，得到純凈的石墨烯。
[0032]實施例3
本發(fā)明一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯，包括以下步驟:
在IL三角瓶中加入20g氧化石墨烯，向三角瓶中加入去離子水至300mL，超聲處理25min，氧化石墨烯懸液；配制微生物燃料電池陰陽極溶液各250mL，陽極液接種10%混合細(xì)菌種子液，組裝成電池后陽極液中通入30min的N2, 30°C恒溫培養(yǎng)箱中靜止厭氧培養(yǎng)4d，其中燃料電池陽極液成分包括:葡萄糖2.0g/L，NaHCO3 3.13g/L, NH4Cl 0.31g/L, NaH2PO44.97g/L, (NH4)2SCM 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl2 15mg/L, MnSO4 20mg/L, FeCl3 lmg/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.93g/L, MgSO4 0.2g/L ;陰極液成分包括:鐵氰化鉀 16.5g/L, NaH2PO4
?2H20 0.4g/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.0g/L。將生長5d的微生物燃料電池陽極液分裝至2個500mL的三角瓶，每瓶的裝量125mL，每瓶氧化石墨烯懸液的裝量為50mL，每瓶通入30min的N2,以除去溶解氧。將瓶口進(jìn)行密封，防止氧氣進(jìn)入，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)5d，35°C，得到氮摻雜石墨烯粗產(chǎn)品，靜置，傾倒去上清液，加入lmol/L稀鹽酸IOOmL超聲15min后以5000r/min轉(zhuǎn)速離心30min ;傾去上清液,用80%乙醇溶液清洗沉淀,攪拌均勻，室溫下靜止Ih,以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液,最后用去離子水清洗沉淀直至中性,置于真空冷凍箱中，_50°C，真空度< 160Pa，干燥時間為20h，得到純凈的石墨烯。
[0033]實施例4
本發(fā)明一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯，包括以下步驟:
在IL三角瓶中加入IOg氧化石墨烯，向三角瓶中加入去離子水至250mL，超聲處理35min,氧化石墨烯懸液；配制微生物燃料電池陰陽極溶液各200mL,陽極液接種15%混合細(xì)菌種子液，組裝成電池后，陽極液中通入20min的N2，最后30°C恒溫培養(yǎng)箱中靜止厭氧培養(yǎng)3d，其中燃料電池陽極液成分包括:葡萄糖2.0g/L，NaHCO3 3.13g/L, NH4Cl 0.31g/L, NaH2PO4 4.97g/L, (NH4)2SCM 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl2 15mg/L, MnSO4 20mg/L,FeCl3 lmg/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.93g/L, MgSO4 0.2g/L ;陰極液成分包括:鐵氰化鉀 16.5g/L, NaH2PO4 ? 2H2 0 0.4g/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.0g/L。將生長 5d 的微生物燃料電池陽極液分裝至2個250mL的三角瓶，每瓶的裝量IOOmL,每瓶氧化石墨烯懸液的裝量為75mL，每瓶通入30min的N2,以除去溶解氧。將瓶口進(jìn)行密封，防止氧氣進(jìn)入，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)5d，35°C，得到氮摻雜石墨烯粗產(chǎn)品，靜置，傾倒去上清液，加入lmol/L稀鹽酸IOOmL超聲15min后以4000r/min轉(zhuǎn)速離心20min ;傾去上清液,用80%乙醇溶液清洗沉淀,攪拌均勻，室溫下靜止1h,以8000r/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液,最后用去離子水清洗沉淀直至中性，置于真空冷凍箱中，_50°C，真空度≤160Pa，干燥時間為24h，得到純凈的石墨烯。
【權(quán)利要求】
1.一種微生物燃料電池混合細(xì)菌氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于:以微生物燃料電池混合細(xì)菌在厭氧條件下優(yōu)良的電子的轉(zhuǎn)移能力為依據(jù)，在還原氧化石墨烯的同時將氮引入到石墨烯結(jié)構(gòu)中，制備出低缺陷的氮摻雜石墨烯，具體步驟如下: 第一步，將改進(jìn)Hummers法制備的氧化石墨烯分散都水中，超聲分散，形成均勻的氧化石墨烯懸液； 第二步，配制微生物燃料電池陽極液和陰極液，在陽極接入微生物燃料電池混合細(xì)菌，組成電池后，通氮氣以除去空氣，在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)增值，獲得含有豐富細(xì)菌的電池陽極菌液；其中，所述的陽極液成分包括:葡萄糖，NaHCO3, NH4Cl, NaH2PO4, (NH4)2SCM 0.56g/L, Cl, CaCl2, MnSO4, FeCl3, Na2HPO4 ? 12H20，MgSO4 ;陰極液成分包括:鐵氰化鉀，NaH2PO4?2H20, Na2HPO4 ? 12H20, pH 為 6.5-7.5 ； 第三步，將氧化石墨烯懸液與微生物燃料電池陽極液混合，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)，進(jìn)行生物摻氮； 第四步，將第三步的摻氮石墨烯靜置、棄去上清液，加入稀鹽酸超聲，然后用乙醇、去離子水清洗滌至PH為中性，最后對純凈的石墨烯進(jìn)行干燥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于:第一步中所述氧化石墨烯懸液質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%-5%;氧化石墨烯懸液與微生物燃料電池陽極液體積比為1:1-1:20。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于:第二步中所述的陽極液成分包括: 葡萄糖 2.0g/L，NaHCO3 3.13g/L, NH4Cl 0.31g/L, NaH2PO4 4.97g/L, (NH4)2SCM 0.56g/L, Cl 0.13g/L, CaCl2 15mg/L, MnSO4 20mg/L, FeCl3 lmg/L,Na2HPO4 ? 12H20 6.93g/L, MgSO4 0.2g/L ；陰極液成分包括:鐵氰化鉀 16.5g/L, NaH2PO4?2H20 0.4g/L, Na2HPO4 ? 12H20 6.0g/L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于:第二步中通氮氣時間為20min以上，培養(yǎng)溫度為25-35°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于:第四步中所述稀鹽酸物質(zhì)的量濃度為0.l-5mol/L。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜石墨烯的制備方法，其特征在于:第四步中所述的干燥采用普通真空干燥或真空冷凍干燥，普通真空干燥溫度為25~100°C，干燥時間2-48h ;真空冷凍干燥溫度為_2(T -80°C，真空度≤160Pa，干燥時間為8_10h。
【文檔編號】C01B31/04GK103803542SQ201410061260
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】孫東平, 劉林, 楊加志, 朱春林, 范孟孟, 黃洋, 吳琪露, 陳春濤 申請人:南京理工大學(xué)