[发明专利]一种利用细菌自修饰制备的多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种利用细菌自修饰制备的多孔碳材料及其制备方法和应用。通过改变培养基的氮含量调控细菌(Cupriavidus basilensis B‑8，保藏编号CGMCC No.4240)自身积累PHA，直接采用离心收集的菌体进行碳化无需任何活化步骤制备分级多孔碳材料。本发明的细菌自修饰衍生多孔碳材料具有微孔和介孔双重分级结构。将其用作超级电容器电极材料，在电流密度为1A/g时，其比容达335F/g；电流密度增大到20A/g时，其比容保持为286F/g，显示了良好的电容量和优异的倍率性能。本制备方法具有新颖、操作简单、制备成本低等优点，制备的材料具有分级孔径、比表面积大、导电性好、电化学性能优异的特点，是一种理想的超级电容器或电池用电极材料。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，尤其涉及一种利用细菌自修饰制备的多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

细菌作为原核生物，具有坚固的细胞壁，即使在相对恶劣的环境中也能维持完整细胞系统。重要的是，它们廉价而丰富的，是自然提供的“绿色”可再生的生物资源。因此，这些微生物有望成为用于生产具有一些特殊性质的纳米至微米尺寸材料的生物模板，创造出一系列具有新颖特征和特性的材料。但是将细菌材料作为超级电容器电极材料的报道较少，Sun(EnergyEnvironmental Science,2012,5(3):6206-6213.)等人采用大肠杆菌表面负载氧化石墨烯并与冷冻铸造相结合，进而合成出具有高比电容(1A/g，327F g^-1)的多孔碳。但是，该多孔碳材料的制备过程复杂，条件要求苛刻，且倍率性能不佳(5A/g，160F g^-1)。Zhu等人(Journal of Materials Chemistry A,2017,6(4))通过氢氧化钾活化选定的藻类微球合成高性能“绿色”碳基超级电容器电极材料表现出来良好的电化学性能。虽然该多孔活性炭材料的制备工艺简单，但是，藻类的培养时间较长需要10天且每天需要进行补料，同时碱活化剂对设备具有较强的腐蚀性并造成环境污染。因此，寻找一种简单绿色环保的菌体修饰方法以制备高性能的多孔碳材料具有重大的科学意义和社会效益。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种利用细菌自修饰制备的多孔碳材料；该多孔碳材料具有分级孔径结构，比表面积大，电化学性能优异。

本发明的第二个目的在于提供一种制备方法简单、环境友好的上述多孔碳材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种上述多孔碳材料的应用，将上述多孔碳材料应用于超级电容器，表现出高的比电容特性及优异的倍率性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明一种利用细菌自修饰制备的多孔碳材料，所述多孔碳材料通过细胞内积累有PHA的木质素降解菌经碳化处理获得。

优选的方案，所述多孔碳材料的比表面积为1687～2442m²/g。

本发明一种利用细菌自修饰制备的多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将木质素降解菌接种于缺氮无菌培养基中，培养后，固液分离、干燥、获得产物；

(2)将步骤(1)所得产物置于惰性气氛中碳化处理，获得碳化产物经净化处理，即为多孔碳材料。

本发明的技术方案，将木质素降解菌接种于缺氮无菌培养基中，细菌在缺氮条件将自身合成PHA作为分子内积累，而采用这种积累有PHA的细菌，作为碳碳源合成生物碳，可仅通过细菌的自修饰，而无需物理和化学活化过程，即可获得具有分极孔结构、比表面积大的多孔碳材料。发明人推断，是由于细菌胞内积累的PHA作为高分子聚酯相当于内置的碳骨架增强细胞的抗压性防止菌体细胞的融合集聚，同时细菌积累PHA后提高了菌体中的氧含量，PHA中均匀分布的含氧基团(羰基、羟基)在碳化过程中有利于形成孔隙提高碳材料的比容量，并增加碳材料的润湿性，从而可获得最有优异电化学性能的多孔碳材料。