[发明专利]一种微生物电极及其制备方法

说明书

本发明涉及微生物燃料电池领域，尤其涉及一种微生物电极及其制备方法，其中，一种微生物电极的制备方法，包括以下步骤：将酸化处理后的基材置于含有偶联剂的水溶液中，并加入苯硼酸类物质，得到活化的基材；将所述活化的基材置于葡萄糖溶液中浸泡后，再将其与电活性微生物共培养，即得微生物电极；所述偶联剂为1‑乙基‑3‑(3‑二甲基氨丙基)碳二亚胺和N‑羟基琥珀酰亚胺的混合物；所述苯硼酸类物质为3‑氨基苯硼酸或4‑二甲氨基苯硼酸中的任意一种；所述电活性微生物为地杆菌属或希瓦氏菌属中的任意一种或两种。本发明所制备的微生物电极因其表面覆盖的电活性生物膜，使其表面具备优异的电子转移性质，进而使微生物电极的产电性能得到显著提高。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，尤其涉及一种微生物电极及其制备方法。

背景技术

微生物电极是一种将具有电化学活性的微生物或完整细胞作为催化剂或敏感元件与电极结合在一起而构成的，它通过微生物的新陈代谢作用分解底物，将其中的化学能转化为电能或电信号的装置。微生物电极可以作为微生物燃料电池阳极和电化学微生物传感器电极使用。

近年来，微生物燃料电池作为最常见的微生物电化学系统，在发电、制氢、化学合成、废水处理、海水淡化等领域得到快速发展，其实现能源转化的关键部件就是作为阳极的微生物电极。

微生物电极是微生物燃料电池的核心部件，微生物往往直接附着或聚集在电极表面以形成生物膜，其可作为“活性催化剂”实现电子的转移。因此，微生物电极材料除了满足一般要求如良好的导电性、长久的使用寿命和较低的成本外，还应具备良好的生物相容性、较大的表面积、利于细菌附着和电子转移的表面性质等。

传统的微生物电极的构建方式主要是通过吸附的方式在预制好的电极表面富集电化学活性微生物。而且，在大多数微生物燃料电池系统中，活性细菌生物膜一般在系统建立后才开始形成，其驯化过程需要几天甚至几个月，取决于接种物和操作条件。另一种策略是采用合适的材料包载菌种，并保证细菌细胞生理功能的完整性，以形成工程化生物膜，这种细菌/材料杂化的生物电极，电极制造和生物膜形成往往是同时进行的。

大量研究表明，电极形貌结构对活性细菌生物膜的形成和性能有着显著影响，作为生物电化学系统的电极材料，其生物相容性和利于电子转移的表面性质受到越来越多的关注。新型生物电极的设计与常规多孔电极的设计不同，需要考虑热力学性质，包括微生物能量需求以及实现基质传递和产物去除。目前的细菌固定化方式只是将微生物固定在电极表面，微生物对电极表面是“被动选择”，微生物种群之间的竞争生长以及活性生物膜的形成都需要较长的时间以达到平衡，在此过程中产电性能并没有得到优化。

因此，有必要开发一种微生物“主动选择”粘附生长，利于电活性生物膜形成的电极材料，并且，在生物膜形成过程中，应采取有效手段增强营养物和副产物的质量传递，以维持生物膜的健康发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微生物电极构建的新方法，以提高电活性菌在基底表面的粘附和富集，进而提高微生物电极的产电性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微生物电极的制备方法，包括以下步骤：

将酸化处理后的基材置于含有偶联剂的水溶液中，并加入苯硼酸类物质，得到活化的基材；将所述活化的基材置于葡萄糖溶液中浸泡后，再将其与电活性微生物共培养，即得微生物电极；

所述偶联剂为1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的混合物；

所述苯硼酸类物质为3-氨基苯硼酸或4-二甲氨基苯硼酸中的任意一种；

所述电活性微生物为地杆菌属或希瓦氏菌属中的任意一种或两种。