[发明专利]一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电极材料技术领域，公开了生物活性石墨烯复合水凝胶电极及其制备方法和应用；本发明先行构建生物活性石墨烯水凝胶电极，再利用异化金属还原菌辅助合成FeS纳米颗粒，获得具有高生物活性的三维水凝胶状石墨烯复合电极；所述电极具有电化学活性更高、比表面积更大、负载高密度活细胞的优点，可实现微生物燃料电池直接即时启动，并极大地提高了MFC的电流密度和功率密度。该生物活性水凝胶电极的制备方法具有操作简单、成本低廉、易于放大的优点，在环境修复、生物传感、生物催化、电化学储能和超导电容器等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶是一种具有三维网状交联结构，集吸水、保水、缓释于一体的功能高分子材料，由于其良好的生物相容性而被广泛应用于医药和生物工程等领域。二维石墨烯材料因其良好的机械强度、优异的电化学性能和易于功能化而被广泛用于水凝胶合成。硫化亚铁（FeS）因其具有独特的分子结构及优异的表面化学特性，是一种具有潜在应用价值的负载材料，因此常被用来复合石墨烯基水凝胶。硫化亚铁石墨烯复合水凝胶材料在环境污染修复、生物传感、电化学储能等诸多领域表现出独特的优势，具有广泛的应用前景。

现阶段已报道的关于硫化亚铁负载的石墨烯水凝胶主要采用水热合成法，需添加还原剂经一段时间高温加压反应，不仅成本高，耗时长，且易产生环境污染。反应过程中，氧化石墨烯（GO）和高价铁同步被还原，使部分合成的FeS与还原态石墨烯（rGO）相游离，难以得到高负载硫化亚铁的石墨烯水凝胶，极大地限制了硫化亚铁石墨烯复合材料的应用。因此，研发反应条件温和、环境友好、高负载率的硫化亚铁石墨烯复合水凝胶制备方法具有重要意义。

微生物燃料电池（MFCs）是一种利用电活性微生物将有机物中稳定的化学能转化为电能的绿色电化学装置。它能够将能源生产和废水处理以一种可持续的、低成本的方式结合在一起，因此引起了人们极大的研究兴趣。然而，由于MFCs需要在阳极室接种电活性微生物，初期微生物至电极的胞外电子转移效率低，需要较长的预培养和稳定时间才能使菌增殖粘附至阳极电极上形成生物膜，才能正式启动MFCs，这极大的限制了MFCs的应用。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明公开了一种硫化亚铁复合石墨烯的生物活性水凝胶及其制备方法，并开发了生物活性石墨烯复合水凝胶直接作为阳极用于免细菌接种的微生物燃料电池的应用。本发明预先构建生物活性石墨烯水凝胶电极，投加水溶性三价铁盐溶液和水溶性硫源盐溶液，再利用异化金属还原菌辅助合成小尺寸FeS纳米颗粒并使其均匀地锚定于石墨烯片层上，获得具有活细胞负载、高生物活性的负载硫化亚铁的石墨烯复合三维水凝胶状电极。该电极可实现MFCs直接启动，并极大地提高了MFCs的电流密度和功率密度。

本发明首先提供了一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极，所述生物活性水凝胶电极由细菌辅助合成；所述水凝胶电极呈三维水凝胶状，水凝胶内负载高生物活性细菌。

本发明还提供了一种生物活性石墨烯复合水凝胶电极的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）预先培养生长状态良好的异化金属还原菌、准备分散好的GO水溶液、连接碳布和钛丝制成普通碳布电极并置于样品瓶中；

（2）制备以碳布为基底的生物活性石墨烯水凝胶电极：向样品瓶中加入缓冲溶液，依次加入适量离心后的异化金属还原菌菌泥、GO水溶液、乳酸钠，混合均匀，恒温定时培养；

（3）制备生物活性石墨烯复合水凝胶电极：向步骤（2）得到的混合体系中分别投加水溶性三价铁盐溶液和水溶性硫酸盐溶液，恒温定时培养；

（4）将培养后获得的生物活性石墨烯复合水凝胶电极取出，用无氧超纯水洗涤后，直接作为阳极并应用于微生物燃料电池。