[发明专利]一种利用芽孢杆菌自修饰制备的多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种利用芽孢杆菌自修饰制备的多孔碳材料及其制备方法和应用。通过改变培养基的成分调控细菌(Bacillus megaterium B‑10，保藏编号CGMCCNo.15753)自身积累PHA，直接采用沉淀收集的菌体进行碳化无需任何活化步骤制备分级多孔碳材料。本发明的细菌自修饰衍生多孔碳材料具有发达的孔系结构。将其用作超级电容器电极材料，在电流密度为0.5A/g时，其比容达263F/g；电流密度增大到20A/g时，其比容保持为217F/g，显示了良好的电容量和优异的倍率性能。本制备方法具有新颖、操作简单、制备成本低等优点，制备的材料具有分级孔径、比表面积大、导电性好、电化学性能优异的特点，是一种理想的超级电容器或电池用电极材料。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，尤其涉及一种利用芽孢杆菌自修饰制备的 多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

细菌作为原核生物，具有坚固的细胞壁，即使在相对恶劣的环境中也能维持 完整细胞系统。重要的是，它们廉价而丰富的，是自然提供的“绿色”可再生的生 物资源。因此，这些微生物有望成为用于生产具有一些特殊性质的纳米至微米尺 寸材料的生物模板，创造出一系列具有新颖特征和特性的材料。但是将细菌材料 作为超级电容器电极材料的报道较少，Sun(EnergyEnvironmental Science,2012, 5(3):6206-6213.)等人采用大肠杆菌表面负载氧化石墨烯并与冷冻铸造相结合，进 而合成出具有高比电容(1A/g，327F g^-1)的多孔碳。但是，该多孔碳材料的制 备过程复杂，条件要求苛刻，且倍率性能不佳(5A/g，160F g^-1)。Zhu等人(Journal of Materials Chemistry A,2017,6(4))通过氢氧化钾活化选定的藻类微球合成高性 能“绿色”碳基超级电容器电极材料表现出来良好的电化学性能。虽然该多孔活性 炭材料的制备工艺简单，但是，藻类的培养时间较长需要10天且每天需要进行 补料，同时碱活化剂对设备具有较强的腐蚀性并造成环境污染。因此，寻找一种简单绿色环保的菌体修饰方法以制备高性能的多孔碳材料具有重大的科学意义 和社会效益。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种利用芽孢杆菌自修饰 制备的多孔碳材料；该多孔碳材料具有发达的孔系结构，比表面积大，电化学性 能优异。

本发明的第二个目的在于提供一种制备方法简单、环境友好的上述多孔碳材 料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种上述多孔碳材料的应用，将上述多孔碳材 料应用于超级电容器，表现出高的比电容特性及优异的倍率性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明一种利用芽孢杆菌自修饰制备的多孔碳材料，所述多孔碳材料通过细 胞内积累有PHA的芽孢杆菌经碳化处理获得。

优选的方案，所述积累有PHA的芽孢杆菌是由芽孢杆菌在高氮培养基培养 获得，所述高氮是指高氮培养基中的氮含量为基础培养基中氮含量的2～4倍。

在本发明中的2～4倍氮含量是以相同类型基础培养基的氮含量作为基准，如 常规现有技术公知的，基础无机盐培养基的氮源浓度为1.5g/L，那么在采用无机 盐培养基培养芽孢杆菌时，即采用3-6g/L氮源浓度的无菌培养基。

作为进一步的优选，所述培养时间为18-36h。作为更进一步的优选，所述 培养时间为24-36h。

本发明首创的发现采用细胞内积累有PHA的芽孢杆菌可以仅通过细菌自修 饰的作用制备获得具有发达孔隙结构，比表面积大的多孔碳材料。