本發(fā)明涉及微生物電化學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種強(qiáng)化微生物胞外電子傳遞的方法。

背景技術(shù)：

如今環(huán)境污染和能源短缺是人類(lèi)面臨的兩大問(wèn)題。微生物電化學(xué)系統(tǒng)是利用微生物驅(qū)動(dòng)氧化或還原反應(yīng)進(jìn)行的一類(lèi)生物反應(yīng)器，可在降解污染物的同時(shí)產(chǎn)生電能，微生物電化學(xué)系統(tǒng)作為一種可再生能源技術(shù)，可緩解能源危機(jī)，有助于人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展。

目前，這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用主要受限于其較弱的產(chǎn)電能力，主要?dú)w因于微生物和陽(yáng)極之間電子傳遞能力較低。微生物電化學(xué)系統(tǒng)中傳統(tǒng)的陽(yáng)極材料需具備：高電導(dǎo)率、良好的生物相容性、大的比表面積、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度高及費(fèi)用低這幾個(gè)特點(diǎn)。

微生物電化學(xué)系統(tǒng)中，目前應(yīng)用最廣泛的電極材料是碳材料，它們普遍具備良好的生物相容性、耐腐蝕和低成本等優(yōu)點(diǎn)。在微生物電化學(xué)系統(tǒng)中常見(jiàn)的碳材料有：碳紙、碳?xì)?、碳布、碳刷、碳纖維等，但是單純的利用碳材料作為微生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極，其產(chǎn)電性能較低，并不能達(dá)到人們預(yù)期的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明一種強(qiáng)化微生物胞外電子傳遞的方法，其中使用石墨烯或氮雜石墨烯負(fù)載到碳電極作為陽(yáng)極，其中所述石墨烯或氮雜石墨烯通過(guò)電泳沉積直接負(fù)載至所述碳電極。

在一些實(shí)施方案中，在一些實(shí)施方案中，可用于本發(fā)明的陽(yáng)極可具有平面形狀、圓柱形、螺旋形、曲線(xiàn)形，包括但不限于片、多個(gè)片、金屬絲網(wǎng)、多孔管和海綿狀。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的陽(yáng)極具有較大的表面積體積比。在一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極可從微生物燃料電池移除。在一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極材料包括碳、碳納米管、碳納米纖維、碳布、碳紙等導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極優(yōu)選的具有高表面積、低電阻、高電導(dǎo)率、或其組合。在一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極允許高細(xì)菌生長(zhǎng)密度。在一些實(shí)施方案中，可以用于本發(fā)明的碳電極包括碳紙，碳布，碳纖維，碳刷，碳?xì)帧?/p>

在一些實(shí)施方案中，通過(guò)電泳沉積如陰極電泳沉積直接將石墨烯或氮雜石墨烯負(fù)載到碳電極作為陽(yáng)極負(fù)載至所述碳電極。在一些實(shí)施方案中，可以用于本發(fā)明的電泳沉積方法不受特別的限制。在一些實(shí)施方案中，可以用于本發(fā)明的沉積分散液包括丙酮、異丙醇或乙醇。

在一些實(shí)施方案中，可以用于本發(fā)明的產(chǎn)電菌包括假單胞菌(pseudomonas)、地桿菌(geobacter)、希瓦氏菌(shewanella)和紅育菌(rhodoferax)。在一些實(shí)施方案中，可以用于本發(fā)明的產(chǎn)電菌包括例如銅綠假單胞菌(pseudomonasaeruginosa)、惡臭假單胞菌、希瓦氏菌如希瓦氏菌(shewanellaoneidensis)mr-1、腐敗希瓦氏菌(shewanellputrefaciens)ir-1、希瓦氏菌dsp10、地桿菌屬、硫還原地桿菌(geobactersulfurreducens)、金屬還原地桿菌(geobactermetallireducens)、喜溫地桿菌(peletomaculumthermopropionicum)、熱自養(yǎng)甲烷熱桿菌(methanothermobacterthermautotrophicus)、人蒼白桿菌(ochrobactrumanthropi)、丁酸梭菌(clostridiumbutyricum)eg3、乙酸氧化脫硫單胞菌(desulfuromonasacetoxidans)、鐵還原紅育菌(rhodoferaxferrireducens)、嗜水氣單胞菌(aeromonashydrophila)a3、丙酸脫硫葉菌(desulfobulbusropionicus)、geopsychrobacterelectrodiphilus、geothrixfermentans、大腸桿菌(escherichiacoli)、沼澤紅假單胞菌(rhodopseudomonaspalustris)、人蒼白桿菌yz-1、脫硫脫硫弧菌(desulfovibriodesulfuricans)、嗜酸菌屬物種(acidiphiliumsp.)、肺炎克雷伯氏菌(klebsiellapneumonia)l17。在一些實(shí)施方案中，使用希瓦氏菌如mr--1作為產(chǎn)電菌。在一些實(shí)施方案中，微生物電化學(xué)系統(tǒng)反應(yīng)室中的培養(yǎng)基配制成對(duì)與其接觸的細(xì)菌無(wú)毒。在一些實(shí)施方案中，可調(diào)整培養(yǎng)基或溶劑以使其與細(xì)菌的新陳代謝相適合。在一些實(shí)施方案中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)ph至約ph3-9例如約5-8.5的范圍內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以不在中性ph條件下實(shí)施本發(fā)明，而對(duì)產(chǎn)電能力無(wú)明顯不利影響。因此，在一些實(shí)施方案中，可以將本發(fā)明的培養(yǎng)基ph調(diào)節(jié)至例如約3-6.5，4-6、4.5-5.5、7.5-8等。如果需要，可以向培養(yǎng)基或溶劑中加入緩沖劑，以及通過(guò)稀釋或加入滲透壓活化物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)培養(yǎng)基或溶劑的濃度。在一些實(shí)施方案中，可加入一種鹽來(lái)調(diào)節(jié)離子強(qiáng)度。此外，如果需要，還可包括營(yíng)養(yǎng)物、輔因子、維生素及其它類(lèi)似添加劑以保持健康的細(xì)菌種群。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中可以使用具有低導(dǎo)電性的流體，而不需要緩沖液。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以有效地從含有可生物降解材料的流體生產(chǎn)能量，和有效地從流體中除去可生物降解材料。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以避免流體的顯著酸化。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法具有高的電流密度。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的使用具有低的或者沒(méi)有緩沖的原料獲得高的電流密度。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法減少例如由于離子傳遞導(dǎo)致的損失。

在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供用作微生物電化學(xué)系統(tǒng)中陽(yáng)極的修飾的碳電極，其中所述修飾的碳電極為負(fù)載有石墨烯或氮雜石墨烯的碳電極，其中所述石墨烯或氮雜石墨烯通過(guò)電泳沉積直接負(fù)載至所述碳電極。

在一些實(shí)施方案中，所述碳電極包括碳紙，碳布，碳纖維，碳刷，碳?xì)帧?/p>

在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種微生物電化學(xué)系統(tǒng)，其包括本發(fā)明的修飾的碳電極作為陽(yáng)極。

在一些實(shí)施方案中，所述微生物電化學(xué)系統(tǒng)包括微生物燃料電池和微生物電解池。

在一些實(shí)施方案中，所述微生物燃料電池包括本發(fā)明的修飾的碳電極作為陽(yáng)極，陰極，和連接所述陽(yáng)極和所述陰極的導(dǎo)體。

在一些實(shí)施方案中，如上文所述，可用于本發(fā)明的陽(yáng)極可具有各種合適的形狀。在一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極可通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)如銅與陰極連接。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的微生物燃料電池的陰極包括以下的導(dǎo)電材料：金屬、碳、碳納米管、碳納米纖維、碳布、碳紙、鉑、石墨、石墨棒、石墨氈、石墨粒或其他導(dǎo)電材料。在一些實(shí)施方案中，可通過(guò)間隔物如隔板或膜將陽(yáng)極室和陰極室隔開(kāi)。在一些實(shí)施方案中，將陽(yáng)極室和陰極室隔開(kāi)的間隔物減慢、減少或阻止電子從陽(yáng)極直接移動(dòng)到陰極，而電子通過(guò)電路的導(dǎo)線(xiàn)流動(dòng)。在一些實(shí)施方案中，所述間隔物可以是例如生物膜，織物，屏蔽物，離子交換膜。

在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供的系統(tǒng)例如微生物燃料電池包括：作為陽(yáng)極的本發(fā)明的修飾的碳電極，與所述陽(yáng)極接觸的產(chǎn)電微生物，含有一種或多種導(dǎo)電材料的陰極，所述陽(yáng)極和所述陰極之間的離子交換膜，導(dǎo)電體，其與所述陽(yáng)極和所述陰極。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以包括將流體物質(zhì)引導(dǎo)到陽(yáng)極的裝置。在一些實(shí)施方案中，所述陽(yáng)極和/或所述陰極位于密封的室中。在一些實(shí)施方案中，在陽(yáng)極室具有適合于引入含有生物降解材料的流體的入口和用于從所述腔室除去流體的出口。在一些實(shí)施方案中，在陰極室具有適合于將含氧氣體引入的入口。在一些實(shí)施方案中，陰極室是對(duì)空氣敞開(kāi)的。在一些實(shí)施方案中，所述陽(yáng)極室和/或陰極室是可拆卸的。

在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供包括微生物燃料電池和微生物電解池的裝置，其中微生物燃料電池可以是如上描述的電池，其中微生物電解池可以包括本發(fā)明的修飾的碳電極為陽(yáng)極和陰極如鉑絲電極。在一些實(shí)施方案中，電解池陰極室具有氣體出口。在一些實(shí)施方案中，所述的電解池陽(yáng)極室可以通過(guò)導(dǎo)管與電解池陰極室相連通。在一些實(shí)施方案中，燃料電池陽(yáng)極電極與電解池陰極電極相連，燃料電池陰極電極與電解池陽(yáng)極電極相連。在一些實(shí)施方案中，電解池陽(yáng)極室具有碳源入口。在所述裝置中，所述微生物燃料電池能夠?yàn)槲⑸镫娊獬靥峁╇娫?。在一些?shí)施方案中，所述裝置可以用于廢水處理等用途。

在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種制備所述的修飾的碳電極的方法，其包括將石墨烯或氮雜石墨烯負(fù)載到碳電極作為陽(yáng)極的步驟，其中所述石墨烯或氮雜石墨烯通過(guò)電泳沉積直接負(fù)載至所述碳電極。

本發(fā)明先利用陰極電泳沉積的方法，將石墨烯和氮雜石墨烯負(fù)載至碳紙電極表面，再將其用作微生物電化學(xué)系統(tǒng)的陽(yáng)極來(lái)促進(jìn)產(chǎn)電。在本發(fā)明中，微生物作為氧化/還原反應(yīng)的催化劑，在微生物消耗底物乳酸的同時(shí)，產(chǎn)生電子，通過(guò)胞外電子傳遞的方式傳遞至陽(yáng)極，產(chǎn)生電能。

本發(fā)明采用陰極電泳沉積的方法，將石墨烯和氮雜石墨烯負(fù)載至碳紙電極表面用作生物陽(yáng)極來(lái)促進(jìn)bess的產(chǎn)電。本發(fā)明采用石墨烯和氮雜石墨烯修飾后的陽(yáng)極，可使bess的產(chǎn)電能力提高6～8倍。本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)石墨烯作為陽(yáng)極修飾物時(shí)bess的產(chǎn)電能力約為氮雜石墨烯修飾陽(yáng)極后的bess產(chǎn)電能力的1.3倍左右，這要?dú)w因于石墨烯更好的生物相容性、更高的電導(dǎo)率及對(duì)核黃素更好的響應(yīng)。該方法操作簡(jiǎn)單且運(yùn)行成本低，促進(jìn)bess產(chǎn)電效果好，實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求簡(jiǎn)單，便于規(guī)模化使用。

附圖說(shuō)明

圖1：圖1a、圖1b、圖1c為本發(fā)明實(shí)施例1使用的碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極的掃描電鏡圖；

圖2：圖2a、圖2b為本發(fā)明實(shí)施例1使用的石墨烯和氮雜石墨烯的透射電鏡圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1使用的石墨烯和氮雜石墨烯的xps表征圖譜；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1使用的石墨烯、氮雜石墨烯、碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極的比表面積柱狀圖；

圖5：圖5a、圖5b、圖5c為本發(fā)明實(shí)施例1使用的碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極的水接觸角表征圖片；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1使用的碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極的eis阻抗譜圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例2使用了碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極安裝的微生物電化學(xué)系統(tǒng)的產(chǎn)電圖；

圖8：圖8a、圖8b、圖8c為本發(fā)明實(shí)施例2安裝的反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束之后，陽(yáng)極表面微生物的掃描電鏡圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例2安裝的反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束之后，陽(yáng)極表面微生物的bca法蛋白測(cè)定柱狀圖。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例2安裝的反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中，在產(chǎn)電峰值處的循環(huán)伏安掃描圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例3使用的碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極在核黃素體系中的循環(huán)伏安掃描圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)驗(yàn)材料：

本文使用下述實(shí)驗(yàn)材料：

石墨烯和氮雜石墨烯：中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司

希瓦氏mr-1細(xì)菌：由南加州大學(xué)的k.h.nealson教授提供

lb培養(yǎng)基：10g/l蛋白胨；5g/lnacl；5g/l酵母膏。其中，蛋白胨和酵母膏購(gòu)自：oxoidltd.waderoad.basingstoke.hants.rg248pw.uk.madeintheunitedkingdom，nacl購(gòu)自：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

好氧培養(yǎng)基：10ml/l常量元素、10ml/l微量元素、10ml/lmgso4·7h2o、2.788ml/ll-乳酸鈉(60％)、11.91g/lhepes、1l培養(yǎng)基/2mlcasaminoacid濃縮液、1l培養(yǎng)基/500μlvitamin

厭氧培養(yǎng)基：10ml/l常量元素、10ml/l微量元素、10ml/lmgso4·7h2o、2.788ml/ll-乳酸鈉(60％)、6.4g/l反丁烯二酸11.91g/lhepes、1l培養(yǎng)基/2mlcasaminoacid濃縮液、1l培養(yǎng)基/500μlvitamin

常量元素組成及具體來(lái)源：

nh4cl國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

(nh4)2so4國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

k2hpo4國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

kh2po4國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

微量元素組成及具體來(lái)源：

nta國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

mncl2·4h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

feso4·7h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

cocl2·6h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

zncl2國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

cuso4·4h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

alk(so4)2·12h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

h3bo3國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

namoo4·2h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

nicl2·6h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

nawo4·2h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

naseo4國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

casaminoacid濃縮液：20gcasaminoacid粉末溶解于100ml蒸餾水中生工生物工程(上海)股份有限公司

vitamin及各種藥品的具體來(lái)源：

10mg/l鹽酸吡哆醇國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

5mg/l核黃素國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

5mg/l維生素b1國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

5mg/l煙酸國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

5mg/l鈣d-泛酸鹽國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

5mg/l對(duì)氨基苯甲酸國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

5mg/l硫辛酸國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

2mg/l生物素國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

2mg/l葉酸國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

0.1mg/l維生素b12國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

mgso4·7h2o國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

l-乳酸鈉(60％)生工生物工程(上海)股份有限公司

hepes生工生物工程(上海)股份有限公司

反丁烯二酸阿拉丁試劑

丙酮溶液國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

碘單質(zhì)國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司

碳紙：上海河森電器有限公司型號(hào)：東麗090。

實(shí)驗(yàn)方案：

在一個(gè)具體實(shí)施方案中，本發(fā)明可以包括以下步驟：

將石墨烯和氮雜石墨烯負(fù)載到碳紙電極表面；

將希瓦氏mr-1細(xì)菌依次在lb培養(yǎng)基、好氧培養(yǎng)基、厭氧培養(yǎng)基中培養(yǎng)；

超凈臺(tái)中微生物電化學(xué)系統(tǒng)(bess)的安裝；

bess在上海辰華電化學(xué)工作站(chi1030c)的控制下運(yùn)行，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明中，所述電極修飾的方法可以是電泳沉積，如陰極電泳沉積的方法。

在本發(fā)明中，所述陰極電泳沉積的直流電壓值可以為10v～20v，如15v。

在本發(fā)明中，所述陰極電泳沉積的時(shí)間可以為5min～15min，如10min。

在本發(fā)明中，高溫滅菌鍋滅菌時(shí)，可以將其參數(shù)設(shè)定為：溫度：121℃，滅菌時(shí)間：20min。

在本發(fā)明中，微生物電化學(xué)系統(tǒng)可以在室溫30℃的條件下運(yùn)行。

在本發(fā)明中，可以采用辰華電化學(xué)工作站如amperometrici-tcurve。

在本發(fā)明中，微生物電化學(xué)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，其陽(yáng)極電位控制可以為+0.1vv.s.ag/agcl參比電極。

在本發(fā)明中，所述微生物可以為純菌s.oneidensismr-1，所述bess系統(tǒng)的菌液可以由以下方法制得：

先通過(guò)單克隆的方法，在lb培養(yǎng)基中培養(yǎng)s.oneidensismr-112h；而后在好氧礦物鹽培養(yǎng)基中培養(yǎng)s.oneidensismr-124h；最后在厭氧礦物鹽培養(yǎng)基中培養(yǎng)s.oneidensismr-16～8h左右，例如7h。

本發(fā)明對(duì)所述丙酮溶液、碳紙、石墨烯、氮雜石墨烯、產(chǎn)電菌和碘單質(zhì)的來(lái)源并無(wú)特殊的限制，本發(fā)明中所使用的原材料如無(wú)另外說(shuō)明均為市售。

本發(fā)明對(duì)陰極電泳沉積所使用的直流電源并無(wú)特殊限制，只要其性能可靠且能達(dá)到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)要求均可。

本發(fā)明采用陰極電泳沉積的方法，將石墨烯和氮雜石墨烯負(fù)載至碳紙電極表面用作生物陽(yáng)極來(lái)促進(jìn)bess的產(chǎn)電。本發(fā)明采用石墨烯和氮雜石墨烯修飾后的陽(yáng)極，可使bess的產(chǎn)電能力提高6～8倍。本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)石墨烯作為陽(yáng)極修飾物時(shí)bess的產(chǎn)電能力約為氮雜石墨烯修飾陽(yáng)極后的bess產(chǎn)電能力的1.3倍左右，這要?dú)w因于石墨烯更好的生物相容性、更高的電導(dǎo)率及對(duì)核黃素更好的響應(yīng)。該方法操作簡(jiǎn)單且運(yùn)行成本低，促進(jìn)bess產(chǎn)電效果好，實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求簡(jiǎn)單，便于規(guī)模化使用。

為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的一種強(qiáng)化微生物胞外電子傳遞的方法進(jìn)行詳細(xì)描述，但不能將它們理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1

先將20mg石墨烯或氮雜石墨烯在50ml丙酮溶液中超聲分散30min，而后加入1粒碘單質(zhì)，再超聲15min，得到陰極電泳沉積分散液，而后利用陰極電泳沉積的方法控制其直流電壓為：15v，沉積時(shí)間：10min，將石墨烯和氮雜石墨烯通過(guò)靜電結(jié)合的方式包裹在碳紙纖維表面，得到修飾后的陽(yáng)極材料。

本發(fā)明對(duì)修飾后的陽(yáng)極材料進(jìn)行掃描電鏡分析，見(jiàn)圖1，圖1為本發(fā)明實(shí)施例1使用的石墨烯和氮雜石墨烯的掃描電鏡圖。由圖1可以看出修飾后電極的表面形態(tài)。

本發(fā)明對(duì)實(shí)施例1使用的石墨烯和氮雜石墨烯進(jìn)行透射電鏡分析，見(jiàn)圖2，圖2位本發(fā)明實(shí)例1使用的石墨烯和氮雜石墨烯的透射電鏡圖。由圖2可以看出石墨烯和氮雜石墨烯材料自身的表面形態(tài)。

本發(fā)明對(duì)實(shí)施例1使用的石墨烯和氮雜石墨烯進(jìn)行xps分析，結(jié)果見(jiàn)圖3，由圖3可以看出本發(fā)明使用的市售石墨烯和氮雜石墨烯所包含的化學(xué)元素種類(lèi)。

本發(fā)明對(duì)實(shí)施例1使用的石墨烯、氮雜石墨烯、石墨烯-碳紙、氮雜石墨烯-碳紙和碳紙分別進(jìn)行了bet比表面積測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖4，由圖4可以看出，石墨烯的比表面積約為氮雜石墨烯的7倍左右，石墨烯-碳紙和氮雜石墨烯-碳紙的比表面積相近，且二者的比表面積均約為碳紙的4倍左右，說(shuō)明通過(guò)石墨烯和氮雜石墨烯負(fù)載之后，碳紙的比表面積增大，更有利于微生物的附著。

本發(fā)明對(duì)實(shí)施例1使用的碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極進(jìn)行了水接觸角的表征，結(jié)果見(jiàn)圖5，由圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出氮雜石墨烯-碳紙電極的水接觸角最大，其接觸角大于150°，屬于超疏水材料，石墨烯-碳紙電極次之，最小的為碳紙電極，說(shuō)明經(jīng)過(guò)石墨烯或氮雜石墨烯修飾之后，陽(yáng)極材料疏水性提高。

本發(fā)明對(duì)實(shí)施例1使用的碳紙電極、石墨烯-碳紙電極和氮雜石墨烯-碳紙電極進(jìn)行了阻抗圖譜的表征，結(jié)果見(jiàn)圖6，由圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出經(jīng)過(guò)石墨烯或氮雜石墨烯修飾之后，大大降低了碳紙電極的傳荷阻抗，有利于微生物的胞外電子傳遞。

實(shí)施例2

先將反應(yīng)器、磁力攪拌轉(zhuǎn)子、丁基橡膠塞等反應(yīng)器配件通過(guò)高溫滅菌，工作電極、鉑絲對(duì)電極和ag/agcl參比電極通過(guò)紫外燈滅菌，而后在超凈臺(tái)中組裝電池。所述體系使用單室的mec，其中希瓦氏mr--1細(xì)菌厭氧培養(yǎng)過(guò)程結(jié)束之后，直接將此厭氧培養(yǎng)基分裝到6個(gè)反應(yīng)器中，每個(gè)反應(yīng)器中培養(yǎng)基的體積為130ml，其中鉑絲電極發(fā)生h+離子還原產(chǎn)h2的反應(yīng)，陽(yáng)極發(fā)生乳酸被氧化生成醋酸的反應(yīng)，并在此過(guò)程中釋放電子。待電池裝好之后，利用辰華電化學(xué)工作站監(jiān)測(cè)bess系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。見(jiàn)圖7，由圖7可以看出，由不同的陽(yáng)極材料組裝成的反應(yīng)器，其產(chǎn)電能力的大小為：石墨烯-碳紙＞氮雜石墨烯碳紙＞碳紙。

本發(fā)明對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束之后的陽(yáng)極表面微生物進(jìn)行了掃描電鏡分析，見(jiàn)圖8，圖8為本發(fā)明實(shí)施例2使用的陽(yáng)極材料表面微生物的掃描電鏡圖。由圖8可以看出反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束之后電極表面的微生物和修飾材料的形態(tài)。

本發(fā)明利用bca法蛋白測(cè)定法對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束之后電極表面微生物的含量進(jìn)行了測(cè)定，見(jiàn)圖9，由圖9可以看出不同的陽(yáng)極材料表面的微生物的含量從大到小依次為：石墨烯-碳紙＞氮雜石墨烯碳紙＞碳紙。

本發(fā)明在反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程對(duì)其陽(yáng)極進(jìn)行了cv掃描，見(jiàn)圖10，在產(chǎn)電峰值出對(duì)各個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行了cv掃描，由圖10可以看出，不同的陽(yáng)極材料，其氧化/還原峰電流的大小存在差異，氧化/還原峰電流從大到小進(jìn)行排序?yàn)椋菏?碳紙＞氮雜石墨烯碳紙＞碳紙。

實(shí)施例3

利用礦物鹽培養(yǎng)基配置核黃素濃度為5mm的溶液作為cv掃描的電解液，石墨烯-碳紙電極、氮雜石墨烯-碳紙電極和碳紙電極分別作為工作電極，對(duì)電極為鉑絲電極，參比電極為ag/agcl參比電極，然后利用辰華電化學(xué)工作站對(duì)不同的工作電極做cv掃描，結(jié)果可見(jiàn)圖11，由圖11的結(jié)果可以看出，在核黃素體系中，不同的工作電極其cv掃描曲線(xiàn)的氧化/還原峰電流存在較大的差異，氧化/還原峰電流從大到小排序依次為：石墨烯-碳紙電極＞氮雜石墨烯-碳紙電極＞碳紙電極，說(shuō)明石墨烯-碳紙電極對(duì)核黃素的響應(yīng)最強(qiáng)，最有利于核黃素得失電子過(guò)程的進(jìn)行，氮雜石墨烯-碳紙電極次之，碳紙電極對(duì)核黃素的響應(yīng)最弱。