[发明专利]微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池

说明书

本发明涉及微生物燃料电池领域，公开了一种微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池。所述微生物电极包括：电极材料，以及附着于所述电极材料表面的式(1)所示的聚合物和微生物，式(1)中，n为20‑40，X选自F、Cl、Br或I，R₃为甲基或乙基。该微生物电极的表面能够形成生物膜结构，具有较高的电子传递效率，能够大大提高微生物燃料电池的产电性能。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，具体涉及一种微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池。

背景技术

随着人口激增和气候变化给地球带来的严峻挑战，能源、水资源、土地利用和废物处理等问题亟待解决。世界各地的人对评估和利用替代能源有着浓厚的兴趣。近年来，微生物燃料电池(MFCs)吸引了众多科研工作者的关注，该技术利用微生物将有机废物降解为小分子并释放电子和质子，从而产生电能。通过利用微生物的生物电化学反应，微生物燃料电池可以直接将化学能转化为电能，为人类能提供清洁的水和绿色能源。产电细菌与电极之间的电子传递主要有以下三种方法：通过结合在外膜的细胞色素c进行直接电子转移(DET)；通过可溶性氧化还原介质进行的间接电子转移(MET)和导电纳米线引起的电子传导。

从能量转换效率方面来看，基于直接电子转移机制的微生物-电极相互作用更有优势。目前应用于MFCs的产电细菌主要是硫还原泥土杆菌和希瓦氏菌。电极材料不仅是电子的给受体，还是是负载微生物的基底，对微生物生物膜的形成、电子转移性能和动力学都有重要影响。但是常用的阳极材料，例如碳纸、碳布、碳刷、碳毡、碳纳米管等碳材料是疏水材料，导致微生物在其表面的粘附量较低；同时微生物和电极之间的电子传递一般只发生在电极表面。因此，科研工作者们发展了许多修饰电极的方法，例如用金属氧化物纳米粒子或者导电聚合物修饰碳材料可以有效的改善细菌粘附性能和生物相容性。Song课题组利用还原型氧化石墨烯(rGO)与希瓦氏菌MR-1自组装形成具有电活性的三维网状生物膜。利用该电极构筑了MFCs，相比不加rGO的对照组，电压输出提高了3.5倍，能量密度提高了22倍，电流密度提高了25倍。但是此方法制备还原性氧化石墨烯需要2天，希瓦氏菌在rGO上粘附形成生物膜需要9天，因此构建MFCs就需要很长时间，在实际应用中费时费力。Zhang课题组发展了一种在细菌表面原位聚合的方法，提高了MFCs的胞外电子转移效率，构建的MFCs的输出功率比未修饰的细菌体系提高了14倍。但是此方法需要对细菌进行前处理，在细菌表面进行聚合反应，操作复杂并且对细菌活性有影响。因此，迫切需要一种生物相容性好，能大量负载微生物，并且具有优异的传递电子能力的电极。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的电极生物相容性差，电子传递效率低的问题，提供了一种微生物电极及其制备方法和微生物燃料电池。该微生物电极的表面能够形成生物膜结构，具有较高的电子传递效率，大大提高了微生物燃料电池的产电性能。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种微生物电极，所述微生物电极包括：电极材料，以及附着于所述电极材料表面的式(1)所示的聚合物和微生物，

式(1)中，n为20-40，X选自F、Cl、Br或I，R₃为甲基或乙基。

本发明第二方面提供一种制备上述微生物电极的方法，包括：将式(1)所示的聚合物与微生物在电极材料表面进行共培养。

本发明第三方面提供一种微生物燃料电池，所述微生物燃料电池的阳极为本发明所述的微生物电极。

通过上述技术方案，本发明提供微生物电极的表面形成有生物膜结构，具有较高的电子传递效率，能够大大提高微生物燃料电池的产电性能。

附图说明

图1是细菌的生长曲线；

图2是电子显微镜表征生物膜的结果；

图3是生物膜的激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)观察图；