一种基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜及其制备方法与应用技术

技术编号：40322887 阅读：5 留言：0更新日期：2024-02-09 14:18

本发明专利技术公开了一种基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜及其制备方法与应用。利用双功能碳点对细菌进行表面改性，将细菌表面负电转变为正电，再通过静电作用将二者与带负电的MXene结合形成杂交生物膜。将其作为燃料电池阳极使用时，碳点带正电，能确保改性负电细菌，二者再与负电MXene通过静电作用结合，且碳点具有光电特性，能够将太阳能转化为电能，为阳极提供额外的电子传输路径，MXene独特的导电性、较大的比表面积为杂交生物膜提供了高速的电子传输网络和丰富的细菌含量，进一步提高了阳极光响应能力和电池输出功率，进而促进了光促微生物燃料电池的发展。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微生物燃料电池，涉及一种基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜及其制备方法与应用。

技术介绍

1、随着全世界经济快速发展，能源的使用也日益增多，能源的主要产生方式是煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧。但环境问题、能源危机逐渐危及人类生存。化石燃料的燃烧会产生硫化物、氮化物及许多对环境和人体有害的物质，还会产生大量的co2，导致温室效应。同时由于各国的开采，传统的化石燃料已经日益枯竭。所以发展绿色、清洁、可持续的新型能源迫在眉睫。微生物燃料电池（mfc）凭借着既能产生电能，又能处理废水，同时产生清洁副产物，受到广泛关注。但限制mfc大规模应用的是其较低的输出性能。

2、mfc性能的关键在于阳极生物膜的形成以及生物膜与阳极界面之间的细胞外电子转移（eet）。mfc阳极直接与生物催化剂接触，对其进行研究是实现mfc高输出性能的关键。目前对于mfc产电性能的探究主要致力于通过导电纳米材料改性阳极表面性质和增加阳极比表面积，提高生物负载量以加速生物膜的形成。其中mxene是一类过渡金属碳氮化物材料，具有生物相容性好、比表面积大、导电性优异的特点，可用于mfc领域。如专利cn110350210a公开了一种碳化丝瓜络上负载过渡金属材料mxene的微生物燃料电池阳极制备方法，受益于mxene纳米片高导电性、大比表面积的优点，通过碳化丝瓜络并与mxene粘结后涂敷在基底电极上，提高eet效率以改善mfc的性能输出。但细菌自然生长形成的生物膜受限于细菌之间几乎不导电的缺点，其内部电子转移效率会逐渐降低。

<p>3、近些年，利用导电纳米材料对mfc阳极与细菌界面接触进行优化，提出了杂交生物膜的概念。其中，过渡金属材料、碳基纳米材料通过改性细菌，实现生物膜内电子高效传递，有效解决了上述问题并被广泛应用于制备mfc杂交生物膜。除此之外，单一的生物产电方式限制了mfc输出性能，可以开发基于光电材料的双电子转移途径，提升产电性能。如专利cn104701561a公开了一种光电材料与微生物形成复合阳极的mfc制备方法，利用光催化材料在光照条件下产生电子和空穴，电子经外电路回流至阴极，空穴通过阳极基底的杂交生物膜夺取细菌产生的电子，从而提高eet效率，在mfc电能输出中耦合太阳能以提高mfc输出性能。但光电材料与细菌外膜上c型细胞色素的生物相容性差、与生物催化剂之间的相互作用较弱，形成的杂交生物膜很难满足电子快速传递的需求。碳点作为一种新型光电材料，具有光电性能和丰富的、易改性的表面性质，可以作为修饰剂改性负电细菌并且实现多重能量转移。

4、因此专利技术一种导电性能好，具有多重电子传输途径的光促微生物燃料电池杂交生物膜，并用于燃料电池阳极，对提高阳极输出性能至关重要。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜及其制备方法与应用，利用带正电荷的碳点，通过表面单修饰技术确保负电细菌被改性后，二者再与负电mxene结合，能够解决负电材料之间静电排斥的问题；同时碳点具有光电性能，可以实现太阳能的转化。构建出一种具有高细菌负载量和多重电子传输途径的新型杂交生物膜，应用于微生物燃料电池阳极，提高微生物燃料电池输出性能。

2、为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：

3、一种基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜，包括以下步骤：

4、（1）将 shewanella oneidensismr-1接种于培养基，恒温摇床培养，离心，洗涤，加水配置成细菌水分散液；

5、（2）将十六烷基三甲基溴化铵通过水热法处理，冷冻，离心去除沉淀，冷冻干燥得到固体碳点粉末，加水超声分散，得到双功能碳点水溶液；

6、（3）将步骤（1）得到的细菌水分散液和步骤（2）得到的双功能碳点水溶液混合，离心分离后，加水得到碳点包裹的细菌水溶液；

7、（4）氢氟酸化学剥离ti3alc2得到晶体mxene，合成mxene纳米片，超声溶解，得到mxene水溶液；

8、（5）将步骤（3）得到的碳点包裹的细菌水溶液和步骤（4）得到的mxene水溶液，恒温孵育，得到mxene/碳点包裹的细菌团聚体；

9、（6）将步骤（5）得到的mxene/碳点包裹的细菌团聚体离心收集沉淀，抽滤到碳毡基底电极上，制得基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜。

10、上述步骤（1）中产电菌为 shewanella oneidensismr-1，所得细菌水分散液的od600为1-2。

11、上述步骤（2）中双功能碳点水溶液浓度为0.5-2mg/ml。

12、上述步骤（3）中细菌水分散液与碳点水溶液体积比为15:0.15，离心转速为3000-10000rpm，离心时间为5-10min，重复次数3-6次。

13、上述步骤（4）中mxene水溶液的浓度为0.5-1.5mg/ml。

14、上述步骤（5）中mxene水溶液和碳点包裹的细菌水溶液体积比为0.08-0.24:15，恒温孵育的温度条件为30℃，转速为150rpm，时间为2h。

15、上述步骤（6）中离心条件为3000-10000rpm，时间为5-10min。

16、上述步骤（6）中碳毡基底电极面积为0.5×0.5cm，抽滤真空度为0.05mpa，抽滤时间为15min。

17、上述的基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜在微生物燃料电池中的应用。

18、本专利技术具有以下有益效果：

19、1.本专利技术利用带正电荷的碳点，通过表面单修饰技术确保负电细菌被改性后，二者再与负电mxene结合，能够解决mxene引入mfc时负电材料之间静电互斥的问题；同时碳点具有光电性能，可以实现太阳能的转化。从而构建一种具有高细菌负载量和多重电子传输途径的新型杂交生物膜，可提高mfc输出性能，加深mfc阳极领域的研究。

20、2.本专利技术所制备的mxene/碳点包裹的细菌杂交生物膜中的mxene材料具有高导电性和较大比表面积，为阳极提供了快速的电子传递通道和丰富的细菌含量；双功能碳点具有较大的正电荷，将其用于负电细菌修饰，实现了细菌表面改性，再与负电mxene结合，促进了细菌与mxene两种负电材料之间的相互作用，提高了杂交生物膜的稳定性；并且双功能碳点具有光电响应能力，在光照条件下能够产生电子和空穴，夺取杂交生物膜中细菌产生的电子，为燃料电池阳极提供了额外的能量来源。

21、3.本专利技术所制备的mxene/碳点包裹的细菌杂交生物膜主体为二维mxene纳米片通过静电引力与正电碳点改性的细菌交叉堆积，形成的三维网络结构，该结构中双功能碳点通过表面单修饰技术引入到细菌表面。通过设计结构，将其利用于燃料电池时，表现出了高功率密度本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜，其特征在于：所述光促微生物燃料电池杂交生物膜主体为正电碳点改性的细菌，再与MXene纳米片交叉堆积，形成的三维网络结构，其中碳点、MXene与细菌之间通过静电相互作用逐步结合在一起。

2.权利要求1所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：

3. 根据权利要求2所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中产电菌为Shewanella oneidensis MR-1，所得细菌水分散液的OD600为1-2。

4.根据权利要求3所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中双功能碳点水溶液浓度为0.5-2mg/mL。

5.根据权利要求4所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中细菌水分散液与碳点水溶液体积比为15:0.15，离心转速为3000-10000rpm，离心时间为5-10min，重复次数3-6次。

6.根据权利要求5所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中MXene水溶液的浓度为0.5-1.5mg/mL。

7.根据权利要求6所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中MXene水溶液和碳点包裹的细菌水溶液体积比为0.08-0.24:15，孵育的温度条件为30℃，转速为150rpm，时间为2h。

8.根据权利要求7所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中离心转速为3000-10000rpm，离心时间为5-10min。

9.根据权利要求8所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中碳毡基底电极面积为0.5×0.5cm，抽滤真空度为0.05MPa，抽滤时间为15min。

10.权利要求1所述的基于MXene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜在光促微生物燃料电池中的应用。

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【技术特征摘要】

1.一种基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜，其特征在于：所述光促微生物燃料电池杂交生物膜主体为正电碳点改性的细菌，再与mxene纳米片交叉堆积，形成的三维网络结构，其中碳点、mxene与细菌之间通过静电相互作用逐步结合在一起。

2.权利要求1所述的基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于，步骤如下：

3. 根据权利要求2所述的基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中产电菌为shewanella oneidensis mr-1，所得细菌水分散液的od600为1-2。

4.根据权利要求3所述的基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中双功能碳点水溶液浓度为0.5-2mg/ml。

5.根据权利要求4所述的基于mxene与碳点的光促微生物燃料电池杂交生物膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中细菌水分散液与碳点水溶液体积比为15:0.15，离心转速为3000-10000rpm，离心时间为5-...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋荣斌，樊泽国，金子琳，胡梦斐，张超越，李朝辉，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：

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