專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)介體微生物燃料電池及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種無(wú)介體微生物燃料電池及其
制備方法。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池(MFCs)是以微生物為催化劑，通過(guò)微生物的代謝把儲(chǔ)存在微 生物內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。早在1910年英國(guó)Potter就發(fā)現(xiàn)了微生物產(chǎn)電的 現(xiàn)象，隨后微生物燃料電池的研究分別經(jīng)歷了介體微生物燃料電池和無(wú)介體微生物燃 料電池兩個(gè)階段。常用的電子介體大多有毒性且價(jià)格昂貴，自從發(fā)現(xiàn)可直接將電子傳 遞到陽(yáng)極的金屬還原菌后，微生物燃料電池的研究大多集中在無(wú)介體微生物燃料電池 上。無(wú)介體微生物燃料電池中電子由微生物傳遞至電極的方式有三種細(xì)胞色素轉(zhuǎn)移，如 Geobactersulfurreducens、 Shewanella oneidensis MR-l禾口 Aeromonas hydrophila ;纟內(nèi) 米導(dǎo)線轉(zhuǎn)移，如G. sulfurreducens和S. oneidensis ;微生物通過(guò)自身分泌的氧化還原產(chǎn)物 (如口分嚷、苯酉昆)轉(zhuǎn)移，如Pseudomonas aeruginosa禾口 Escherichis coli。
Shewanella loihica PV-4是一株最新從太平洋分離到的耐寒菌，Hashimoto K等 研究小組通過(guò)紫外/可見(jiàn)吸收光譜研究Shewanella loihicaPV-4活細(xì)胞中細(xì)胞色素C的 作用，結(jié)果表明，Shewanella loihica PV_4是通過(guò)細(xì)胞膜表面的細(xì)胞色素C將胞內(nèi)的電子 直接傳遞給固體材料，如氧化鐵和氧化錳。 硼摻雜的金剛石(BDD)薄膜因具有寬電化學(xué)勢(shì)窗、低背景電流、極好的電化學(xué)穩(wěn) 定性及表面吸附惰性等優(yōu)點(diǎn)，在電分析、光譜電化學(xué)、電化學(xué)腐蝕電極和電催化等方面的應(yīng) 用潛力巨大而且發(fā)展迅速。雖然金剛石薄膜具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在電催化活性低、 表面再造困難、選擇性及靈敏性較差的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種無(wú)介體微生物燃料電池，解決了現(xiàn)有技術(shù)中微生物燃料
電池電催化活性低、表面再造困難、選擇性及靈敏性較差等問(wèn)題。 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的這些問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是 —種無(wú)介體微生物燃料電池，包括工作電極、參比電極、對(duì)電極和電極間的含有有
機(jī)物的電解液，其特征在于與所述電解液接觸的所述工作電極側(cè)面形成硼摻雜金剛石薄
膜；所述工作電極上附著產(chǎn)電微生物，所述產(chǎn)電微生物為Shewanella loihica PV-4菌種。
優(yōu)選的，所述硼摻雜金剛石薄膜為納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石薄膜。 優(yōu)選的，所述電解質(zhì)溶液按其組分的濃度包括 乳酸 10mmol/L ; NaHC03 2. 5g/L ; CaCl2 2H20 0. 08g/L ; NH4C1 1.0g/L;
MgCl2 6H20
NaCl
HEPES
0. 2g/L ;10g/L ;7. 2g/L。 優(yōu)選的，所述參比電極為Ag/AgC1/飽和KC1溶液電極；所述對(duì)電極為Pt。 本發(fā)明的另一目的在于提供一種無(wú)介體微生物燃料電池的制備方法，其特征在于
所述方法包括以下步驟 (l)Shewanella loihica PV-4在有氧條件下先后用海洋肉湯培養(yǎng)基、含有乳酸的電解質(zhì)溶液進(jìn)行培養(yǎng)； (2)將工作電極、參比電極、對(duì)電極放入反應(yīng)室中，并加入適量的含有乳酸的電解質(zhì)溶液，除氧后加入步驟(1)培養(yǎng)的Shewanella loihica PV-4菌體組成所述無(wú)介體微生物燃料電池。 優(yōu)選的，所述步驟(1)中海洋肉湯培養(yǎng)基的濃度為15 30g/L，所述培養(yǎng)時(shí)間為12 24小時(shí)。 優(yōu)選的，所述步驟(1)中所述進(jìn)行培養(yǎng)的溫度控制在30°C。 優(yōu)選的，所述步驟(2)中反應(yīng)室通過(guò)硅橡膠塞密封，并在加入ShewanellaloihicaPV-4菌體前通入N2進(jìn)行除氧處。 優(yōu)選的，所述步驟(2)中加入的Shewanella loihica PV-4菌體的0D660值為2. 0。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述的無(wú)介體微生物燃料電池在電化學(xué)測(cè)定中的應(yīng)用，其特征在于所述燃料電池的測(cè)定條件為25°C， pH為7. 8，并保持恒電位為0. 2V。
本發(fā)明技術(shù)方案中，無(wú)介體微生物燃料電池基于硼摻雜金剛石薄膜電極，且采用三電極體系，分別以硼摻雜金剛石薄膜電極/納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石薄膜電極為工作電極、含飽和KC1溶液的Ag/AgCl電極為參比電極、Pt為對(duì)電極。電解質(zhì)溶液中采用基質(zhì)為乳酸，其濃度為10mmol/L ;電解質(zhì)溶液為NaHC03(2. 5g/L) ， CaCl2 2H20(0. 08g/L)，NH4C1 (1. Og/L) ， MgCl2 6H20(0. 2g/L) ， NaCl (10g/L) ， HEPES (7. 2g/L)。
所述微生物燃料電池的具體制備過(guò)程為 Shewanella loihica PV-4在有氧條件下30。C用10mL 20g/L海洋肉湯培養(yǎng)基培養(yǎng)24h，然后在含有乳酸的電解質(zhì)溶液中培養(yǎng)2d ;分別將硼摻雜金剛石電極/納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石薄膜電極(薄膜面積可以為1. 1cm2)、含飽和KC1溶液的Ag/AgCl參比電極、Pt對(duì)電極放入反應(yīng)室中，加入4mL含有乳酸的電解質(zhì)溶液，采用硅橡膠塞密閉，經(jīng)通入N230min除氧后，加入Shewanella loihica PV-4菌體(0D66。值為2. 0)，保持MFC的恒電位為0. 2V(25°C，pH 7.8)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)定。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的方案，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是 1.本發(fā)明技術(shù)方案中利用能直接將胞內(nèi)的電子傳遞給電極表面的菌株Shewanella loihica PV-4作為產(chǎn)電微生物，采用硼摻雜金剛石薄膜電極，提高了電極的化學(xué)穩(wěn)定性。優(yōu)選的，采用納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石薄膜電極，納米材料的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)，使其表面原子活性高，易與周?chē)钠渌镔|(zhì)發(fā)生電子傳遞作用，將Shewanellaloihica PV-4用作產(chǎn)電微生物，提高了納米草結(jié)構(gòu)薄膜電極的催化活性。另外，將納米結(jié)構(gòu)引入電極材料，增大了電極材料的比表面積，改善了電催化性能，降低過(guò)電位、加快電化學(xué)反應(yīng)的速率、提高電極的選擇性及靈敏度等。
2、本發(fā)明技術(shù)方案中燃料電池的反應(yīng)室中無(wú)需添加介體，ShewanellaloihicaPV-4菌體直接降解有機(jī)物產(chǎn)生的電子直接傳遞到電極產(chǎn)生電流；另外該電池為單室三電極體系，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電化學(xué)測(cè)定方便易行，從而簡(jiǎn)化了電池制備程序，同時(shí)降低了制備成本。[OO31] 綜上所述，本發(fā)明針對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電效率低的缺點(diǎn)，利用菌株Shewanellaloihica PV-4作為產(chǎn)電微生物，將胞內(nèi)的電子通過(guò)細(xì)胞膜表面的細(xì)胞色素C直接傳遞給電極表面，并采用硼摻雜金剛石薄膜電極或納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石薄膜電極，分別提高了電極的化學(xué)穩(wěn)定性和電極的比表面積，從而提高了電流密度，克服微生物燃料電池產(chǎn)電效率低的缺點(diǎn)，可以應(yīng)用于電化學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述 圖1為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)介體微生物燃料電池的截面示意圖。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例工作電極的掃描電鏡圖(SEM);其中工作電極為硼摻雜金剛石電極； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例工作電極的掃描電鏡圖(SEM);其中工作電極為納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)介體微生物燃料電池的電化學(xué)測(cè)定循環(huán)伏安曲線；其中工作電極為硼摻雜金剛石電極，掃描速率為100mV/s ; 圖5為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)介體微生物燃料電池的電化學(xué)測(cè)定循環(huán)伏安曲線；其中工作電極為納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極，掃描速率為100mV/s ; 圖6為本發(fā)明實(shí)施例無(wú)介體微生物燃料電池的電化學(xué)測(cè)定電流_時(shí)間曲線。
其中1為Ag/AgCl參比電極；2為Pt對(duì)電極；3為外部回路；4為工作電極；5為
基底；6為0型圈；7為反應(yīng)室；8為硅橡膠塞。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方案做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明而不限于限制本發(fā)明的范圍。實(shí)施例中采用的實(shí)施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實(shí)施條件通常為常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的條件。
實(shí)施例無(wú)介體微生物燃料電池及其制備 如圖1所示，該無(wú)介體微生物燃料電池采用三電極體系，包括工作電極4、參比電極1、對(duì)電極2和電極間的電解質(zhì)層，與所述電解質(zhì)層接觸的所述工作電極側(cè)面形成硼摻雜金剛石薄膜；所述微生物為產(chǎn)電微生物Shewanellaloihica PV-4 ;所述參比電極為含飽和KCl溶液的Ag/AgCl電極；所述對(duì)電極為Pt對(duì)電極；對(duì)電極僅作為電子傳遞的場(chǎng)所，并和工作電極組成外部回路3。所述參比電極下端設(shè)置0型圈6密封，無(wú)介體微生物燃料電池的反應(yīng)室7通過(guò)硅橡膠塞8密封。 工作電極的硼摻雜金剛石薄膜為納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石薄膜；所述電解質(zhì)溶液
按其組分的濃度包括 乳酸 1Ommol/L ; NaHC03 2. 5g/L ;
CaCl2 2H20 0. 08g/L ; NH4C1 1. 0g/L ; MgCl2 6H20 0. 2g/L ; NaCl 10g/L ; HEPES 7. 2g/L。 該電池制備時(shí)可以按照如下步驟進(jìn)行 1、菌種的培養(yǎng) 含乳酸的電解質(zhì)溶液乳酸(10,1/L) ， NaHC03(2. 5g/L) ， CaCl2 2H20(0. 08g/L)，NH4C1 (1. Og/L) ， MgCl2 6H20(0. 2g/L) ， NaCl (10g/L) ， HEPES (7. 2g/L) ， pH 7. 8 ;
海洋肉湯培養(yǎng)基海洋肉湯培養(yǎng)基(20g/L) ， pH 7. 8。
以上培養(yǎng)基均在0. IMpa滅菌15min， 4。C冰箱保存?zhèn)溆谩?Shewanella loihica PV-4在有氧條件下(30°C )用lOmL海洋肉湯培養(yǎng)基(20g/L)培養(yǎng)24h，然后在含有乳酸的電解質(zhì)溶液中培養(yǎng)2d。
2、燃料電池的制備 分別將硼摻雜金剛石電極/納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極(面積為1. 1cm2)、含飽和KC1溶液的Ag/AgCl參比電極、Pt對(duì)電極放入反應(yīng)室中，加入4mL含有乳酸的電解質(zhì)溶液，采用硅橡膠塞密閉，經(jīng)通入N2 30min除氧后，加入Shewanella loihica PV-4菌體(0D660值為2. 0)，保持MFC的恒電位為0. 2V(25°C， pH 7. 8)進(jìn)行電化學(xué)測(cè)定。
電池性能測(cè)試試驗(yàn) 電化學(xué)測(cè)定循環(huán)伏安曲線如圖4和圖5所示，電化學(xué)測(cè)定電流_時(shí)間曲線如圖6所示。 如圖2和圖3所示，硼摻雜金剛石電極和納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極的掃描電鏡圖可明顯看出納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極表面形成納米陣列。從電化學(xué)測(cè)定循環(huán)伏安曲線(圖4和圖5)可以看出，空白的硼摻雜金剛石電極和納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極均有很寬的電化學(xué)勢(shì)窗，加入Shewanella loihica PV-4菌體后，硼摻雜金剛石電極和納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極上均出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，說(shuō)明細(xì)胞色素C在菌體和電極之間起著電子傳遞的作用。從電化學(xué)測(cè)定電流-時(shí)間曲線(圖6)可以看出，加入Shewanellaloihica PV-4菌體后，硼摻雜金剛石電極和納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極產(chǎn)生的最大電流值分別為1. 8 ii A禾P 4. 3 ii A，最終的平穩(wěn)電流值分別為0. 3 ii A禾P 0. 9 ii A，即納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石電極產(chǎn)生的電流是硼摻雜金剛石電極的3倍，說(shuō)明納米草結(jié)構(gòu)電極表面的納米草陣列增大了比表面積、減小界面阻力、加快了電子轉(zhuǎn)移。 另外，本發(fā)明所選用的Shewanella loihica PV-4菌種購(gòu)買(mǎi)于美國(guó)典型菌種保藏中心(ATCC)，保藏編號(hào)BAA-1088，簡(jiǎn)稱(chēng)S. loihica PV_4。 上述實(shí)例只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人是能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精
神實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種無(wú)介體微生物燃料電池，包括工作電極、參比電極、對(duì)電極和電極間的含有有機(jī)物的電解液，其特征在于與所述電解液接觸的所述工作電極側(cè)面形成硼摻雜金剛石薄膜；所述工作電極上附著產(chǎn)電微生物，所述產(chǎn)電微生物為Shewanella loihica PV-4菌種。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)介體微生物燃料電池，其特征在于所述硼摻雜金剛石薄膜 為納米草結(jié)構(gòu)硼摻雜金剛石薄膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)介體微生物燃料電池，其特征在于所述電解質(zhì)溶液按其組分的濃度包括乳酸10mmol/LNaHC032. 5g/L ;CaCl2 2H200. 08g/L ;NH4C11. 0g/L ;MgCl2 6H200. 2g/L ;NaCl10g/L ;HEPES7. 2g/L。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無(wú)介體微生物燃料電池，其特征在于所述參比電極為Ag/ AgC1/飽和KC1溶液電極；所述對(duì)電極為Pt。
5. —種權(quán)利要求1所述的無(wú)介體微生物燃料電池的制備方法，其特征在于所述方法包括以下步驟(1) Shewanella loihica PV-4在有氧條件下先后用海洋肉湯培養(yǎng)基、含有乳酸的電解 質(zhì)溶液進(jìn)行培養(yǎng)；(2) 將工作電極、參比電極、對(duì)電極放入反應(yīng)室中，并加入適量的含有乳酸的電解質(zhì)溶 液，除氧后加入步驟(1)培養(yǎng)的Shewanella loihica PV-4菌體組成所述無(wú)介體微生物燃 料電池。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中海洋肉湯培養(yǎng)基的濃度為 15 30g/L，所述培養(yǎng)時(shí)間為12 24小時(shí)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述步驟(1)中所述進(jìn)行培養(yǎng)的溫度控制 在30°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中反應(yīng)室通過(guò)硅橡膠塞密封， 并在加入Shewanella loihica PV-4菌體前通入N2進(jìn)行除氧處理。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中加入的Shewanellaloihica PV-4菌體的OD腳值為2.0。
10. —種權(quán)利要求1所述的無(wú)介體微生物燃料電池在電化學(xué)測(cè)定中的應(yīng)用，其特征在 于所述燃料電池的測(cè)定條件為25°C， pH為7. 8，并保持恒電位為0. 2V。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)介體微生物燃料電池及其制備方法和應(yīng)用，該燃料電池包括工作電極、參比電極、對(duì)電極和電極間的含有有機(jī)物的電解液，其特征在于與所述電解液接觸的所述工作電極側(cè)面形成硼摻雜金剛石薄膜；所述工作電極上附著產(chǎn)電微生物，所述產(chǎn)電微生物為Shewanella loihica PV-4菌種。該電池提高了電極的化學(xué)穩(wěn)定性和電極的比表面積，從而提高了電流密度，克服微生物燃料電池產(chǎn)電效率低的缺點(diǎn)，可以應(yīng)用于電化學(xué)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N27/403GK101764242SQ20101004583
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者吳文果, 顧忠澤 申請(qǐng)人:東南大學(xué)