一种生产氧化石墨烯和氢气的高效生物电化学方法和系统技术方案

氧化石墨烯(GO)是一种对能源、环境和其它领域非常重要的材料。在过去，氧化石墨烯是通过化学方法生产，生产过程中需要高的能耗和使用危险化学品。本发明专利技术提出了一种通过石墨、煤炭及其它碳基材料生产氧化石墨烯(13)的生物电化学系统(BES)，包括微生物、阳极(11)和阴极(14)，该系统可以在常规环境条件下进行并无需使用化学试剂。在一些实施例中，还可以生产有商业价值的有机物(17)和H2(16)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种生产氧化石墨烯和氢气的高效生物电化学方法和系统优先权本申请是一份声明优先权的PCT国际申请，要求2015年10月31日递交的申请号为62/249，227的美国临时申请号的优先权的PCT国际申请，且美国专利技术申请的利益在此全部以引用方式并入本申请。
本专利技术涉及氧化石墨烯的高效生产。更具体地，本专利技术涉及在普通环境或者更温和环境中，利用石墨、煤和其它碳基材料，通过一种包含微生物、电流和生物电化学反应的方法和系统生产氧化石墨烯以及氢气。
技术介绍
石墨烯和其前驱体氧化石墨烯(GO)属于新型材料的新领域，具有独特的电、热、甚至机械性能并具有广泛的应用潜能。目前，常规的石墨烯生产技术包括在高温和其他极端反应条件下将石墨通过化学氧化转换成氧化石墨或者是氧化石墨烯，然后再将氧化石墨烯通过化学、热处理或者是电化学技术还原成石墨烯。氧化石墨烯不仅是大规模生产石墨烯类材料的一种重要的前驱体，并具有广泛的应用潜能，包括但不局限于电子学、光电子学、生物纳米技术、可再生能源、膜研究、环境应用等。在过去，氧化石墨烯只能通过基于Hummers、Brodie和Staudenmaier技术的化学氧化合成。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于生产氧化石墨烯的生物电化学系统，包括：一个生物化学反应器，包括：至少一个含石墨阳极；至少一个阴极，其含有导电材料；连接所述至少一个含石墨阳极和所述至少一个阴极间的负载的至少一根导线；连接至所述至少一根导线上的至少一个直流电源；以及至少一种微生物菌落，其能够与所述至少一个含石墨阳极反应并生产氧化石墨烯；一个氧化石墨烯收集器，其能够从所述生物化学反应器中收集氧化石墨烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.31 US 62/249,2271.一种用于生产氧化石墨烯的生物电化学系统，包括：一个生物化学反应器，包括：至少一个含石墨阳极；至少一个阴极，其含有导电材料；连接所述至少一个含石墨阳极和所述至少一个阴极间的负载的至少一根导线；连接至所述至少一根导线上的至少一个直流电源；以及至少一种微生物菌落，其能够与所述至少一个含石墨阳极反应并生产氧化石墨烯；一个氧化石墨烯收集器，其能够从所述生物化学反应器中收集氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述阳极的形状可以为棒状、粒状、粉末悬浊液、液体悬浊液及其组合。3.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述至少一个含石墨阳极可以为煤、石油焦、粒状活性炭、生物炭、石墨、无烟煤、碳布、碳纤维、碳纤维刷及其组合。4.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述至少一种微生物菌落包括但不局限于好氧微生物、兼氧微生物、厌氧微生物及其组合。5.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述生物电化学系统中至少一种微生物菌落包括但不局限于Thermotogae，Tenericutes，Synergistetes，Spirochaetes，Proteobacteria，Firmicutes，Cyanobacteria，Cloacimonetes，Chloroflexi，CandidatusSaccharibacteria，Bacteroidetes，Actinobacteria及其组合。6.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述含石墨阳极附近的所述至少一种微生物菌落包括但不局限于Proteobacteria和Actinobacteria及其组合；所述阴极附近的至少一种微生物菌落包括但不局限于Proteobacteria，Firmicutes，Bacteroidetes及其组合。7.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述至少一个生物化学反应器包括但不局限于密封的容器，坑，地上空隙，地上坑，煤层，煤堆，钻孔，沟槽及其组合。8.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述至少一种微生物菌落可以与含石墨的阳极进行反应并生产氧化石墨烯、石墨烯和氧化石墨。9.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述生物化学反应器至少包括一个中空管。10.根据权利要求9所述的生物电化学系统，其特征在于，所述中空管包括一个穿孔中空管。11.根据权利要求9所述的生物电化学系统，其特征在于，所述中空管的材料包括但不局限于塑料，聚氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，玻璃纤维，高密度聚四氟乙烯及其组合。12.根据权利要求9所述的生物电化学系统，其特征在于，所述含石墨阳极设置在所述中空管的最外层。13.根据权利要求9所述的生物电化学系统，其特征在于，所述阴极设置在所述中空管的最内层。14.根据权利要求9所述的生物电化学系统，其特征在于，所述阴极可以直接与所述中空管接触。15.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述阴极包括但不局限于精细不锈钢网、不锈钢泡沫、铁屑、不锈钢棒、网、不锈钢毛、不锈钢泡沫、不锈钢刷、碳布、活性炭、复写纸及其组合。16.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述阴极表面包覆有催化剂。17.根据权利要求16所述的生物电化学系统，其特征在于，所述催化剂包括但不局限于铂/碳(Pt/C)催化剂、铱催化剂、氧化锌、氧化铅、钛氧化物(金红石)及其组合。18.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述阴极设置有防水透气的包裹层。19.根据权利要求18所述的生物电化学系统，其特征在于，所述覆盖层包括但不局限于聚四氟乙烯和聚(二甲基硅氧烷)及其组合。20.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，还包括一个电阻为0-10000Ω的负载，电压范围为0.1-380V，电流范围为0.001mA-5A。21.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述氧化石墨烯收集器可以分离生物化学反应器中的氧化石墨烯。22.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述生物化学反应器中还含有至少一种酶。23.根据权利要求1所述的生物电化学系统，其特征在于，所述生物化学反应器还含有生物质。24.一种用于生产氧化石墨烯的生物电化学方法，包括：提供至少一个生物化学反应器；在所述至少一个生物化学反应器的每一个中提供至少一个含石墨阳极和至少一个阴极；其中所述至少一个阴极由导电材料构成；通过导线连接所述至少一个含石墨阳极和阴极之间的负载；提供连接至所述导线的至少一个直流电源；在所述至少一个生物化学反应器的每一个中接种至少一种微生物菌落；所述含石墨阳极与所述微生物菌落反应生产氧化石墨烯、CO2和电子；通过导线将所述电子从所述阳极转移至所述阴极；在阴极还原质子和二氧化碳(CO2)生产H2和有机...

【专利技术属性】
技术研发人员：金松，李然，保罗·付格林，金恺伦，
申请(专利权)人：华烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港,81