专利名称：无介体微生物燃料电池及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于生物燃料电池技术领域，特别是涉及一种无介体微生物燃料电池及其
制备方法。
背景技术：
微生物燃料电池(MFCs)是以微生物为催化剂，通过微生物的代谢把储存在微 生物内的化学能转化为电能的装置。早在1910年英国Potter就发现了微生物产电的 现象，随后微生物燃料电池的研究分别经历了介体微生物燃料电池和无介体微生物燃 料电池两个阶段。常用的电子介体大多有毒性且价格昂贵，自从发现可直接将电子传 递到阳极的金属还原菌后，微生物燃料电池的研究大多集中在无介体微生物燃料电池 上。无介体微生物燃料电池中电子由微生物传递至电极的方式有三种细胞色素转移，如 Geobactersulfurreducens、 Shewanella oneidensis MR-l禾口 Aeromonas hydrophila ;纟内 米导线转移，如G. sulfurreducens和S. oneidensis ;微生物通过自身分泌的氧化还原产物 (如口分嚷、苯酉昆)转移，如Pseudomonas aeruginosa禾口 Escherichis coli。
Shewanella loihica PV-4是一株最新从太平洋分离到的耐寒菌，Hashimoto K等 研究小组通过紫外/可见吸收光谱研究Shewanella loihicaPV-4活细胞中细胞色素C的 作用，结果表明，Shewanella loihica PV_4是通过细胞膜表面的细胞色素C将胞内的电子 直接传递给固体材料，如氧化铁和氧化锰。 硼掺杂的金刚石(BDD)薄膜因具有宽电化学势窗、低背景电流、极好的电化学稳 定性及表面吸附惰性等优点，在电分析、光谱电化学、电化学腐蚀电极和电催化等方面的应 用潜力巨大而且发展迅速。虽然金刚石薄膜具有上述的优点，但同时也存在电催化活性低、 表面再造困难、选择性及灵敏性较差的缺点。

发明内容
本发明目的在于提供一种无介体微生物燃料电池，解决了现有技术中微生物燃料
电池电催化活性低、表面再造困难、选择性及灵敏性较差等问题。 为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是 —种无介体微生物燃料电池，包括工作电极、参比电极、对电极和电极间的含有有
机物的电解液，其特征在于与所述电解液接触的所述工作电极侧面形成硼掺杂金刚石薄
膜；所述工作电极上附着产电微生物，所述产电微生物为Shewanella loihica PV-4菌种。
优选的，所述硼掺杂金刚石薄膜为纳米草结构硼掺杂金刚石薄膜。 优选的，所述电解质溶液按其组分的浓度包括 乳酸 10mmol/L ; NaHC03 2. 5g/L ; CaCl2 2H20 0. 08g/L ; NH4C1 1.0g/L;
MgCl2 6H20
NaCl
HEPES
0. 2g/L ;10g/L ;7. 2g/L。 优选的，所述参比电极为Ag/AgC1/饱和KC1溶液电极；所述对电极为Pt。 本发明的另一目的在于提供一种无介体微生物燃料电池的制备方法，其特征在于
所述方法包括以下步骤 (l)Shewanella loihica PV-4在有氧条件下先后用海洋肉汤培养基、含有乳酸的电解质溶液进行培养； (2)将工作电极、参比电极、对电极放入反应室中，并加入适量的含有乳酸的电解质溶液，除氧后加入步骤(1)培养的Shewanella loihica PV-4菌体组成所述无介体微生物燃料电池。 优选的，所述步骤(1)中海洋肉汤培养基的浓度为15 30g/L，所述培养时间为12 24小时。 优选的，所述步骤(1)中所述进行培养的温度控制在30°C。 优选的，所述步骤(2)中反应室通过硅橡胶塞密封，并在加入ShewanellaloihicaPV-4菌体前通入N2进行除氧处。 优选的，所述步骤(2)中加入的Shewanella loihica PV-4菌体的0D660值为2. 0。
本发明的另一目的在于提供一种所述的无介体微生物燃料电池在电化学测定中的应用，其特征在于所述燃料电池的测定条件为25°C， pH为7. 8，并保持恒电位为0. 2V。
本发明技术方案中，无介体微生物燃料电池基于硼掺杂金刚石薄膜电极，且采用三电极体系，分别以硼掺杂金刚石薄膜电极/纳米草结构硼掺杂金刚石薄膜电极为工作电极、含饱和KC1溶液的Ag/AgCl电极为参比电极、Pt为对电极。电解质溶液中采用基质为乳酸，其浓度为10mmol/L ;电解质溶液为NaHC03(2. 5g/L) ， CaCl2 2H20(0. 08g/L)，NH4C1 (1. Og/L) ， MgCl2 6H20(0. 2g/L) ， NaCl (10g/L) ， HEPES (7. 2g/L)。
所述微生物燃料电池的具体制备过程为 Shewanella loihica PV-4在有氧条件下30。C用10mL 20g/L海洋肉汤培养基培养24h，然后在含有乳酸的电解质溶液中培养2d ;分别将硼掺杂金刚石电极/纳米草结构硼掺杂金刚石薄膜电极(薄膜面积可以为1. 1cm2)、含饱和KC1溶液的Ag/AgCl参比电极、Pt对电极放入反应室中，加入4mL含有乳酸的电解质溶液，采用硅橡胶塞密闭，经通入N230min除氧后，加入Shewanella loihica PV-4菌体(0D66。值为2. 0)，保持MFC的恒电位为0. 2V(25°C，pH 7.8)进行电化学测定。
相对于现有技术中的方案，本发明的优点是 1.本发明技术方案中利用能直接将胞内的电子传递给电极表面的菌株Shewanella loihica PV-4作为产电微生物，采用硼掺杂金刚石薄膜电极，提高了电极的化学稳定性。优选的，采用纳米草结构硼掺杂金刚石薄膜电极，纳米材料的表面效应和小尺寸效应，使其表面原子活性高，易与周围的其他物质发生电子传递作用，将Shewanellaloihica PV-4用作产电微生物，提高了纳米草结构薄膜电极的催化活性。另外，将纳米结构引入电极材料，增大了电极材料的比表面积，改善了电催化性能，降低过电位、加快电化学反应的速率、提高电极的选择性及灵敏度等。
2、本发明技术方案中燃料电池的反应室中无需添加介体，ShewanellaloihicaPV-4菌体直接降解有机物产生的电子直接传递到电极产生电流；另外该电池为单室三电极体系，结构简单，电化学测定方便易行，从而简化了电池制备程序，同时降低了制备成本。[OO31] 综上所述，本发明针对微生物燃料电池产电效率低的缺点，利用菌株Shewanellaloihica PV-4作为产电微生物，将胞内的电子通过细胞膜表面的细胞色素C直接传递给电极表面，并采用硼掺杂金刚石薄膜电极或纳米草结构硼掺杂金刚石薄膜电极，分别提高了电极的化学稳定性和电极的比表面积，从而提高了电流密度，克服微生物燃料电池产电效率低的缺点，可以应用于电化学应用技术领域。


下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述 图1为本发明实施例无介体微生物燃料电池的截面示意图。 图2为本发明实施例工作电极的扫描电镜图(SEM);其中工作电极为硼掺杂金刚石电极； 图3为本发明实施例工作电极的扫描电镜图(SEM);其中工作电极为纳米草结构硼掺杂金刚石电极。 图4为本发明实施例无介体微生物燃料电池的电化学测定循环伏安曲线；其中工作电极为硼掺杂金刚石电极，扫描速率为100mV/s ; 图5为本发明实施例无介体微生物燃料电池的电化学测定循环伏安曲线；其中工作电极为纳米草结构硼掺杂金刚石电极，扫描速率为100mV/s ; 图6为本发明实施例无介体微生物燃料电池的电化学测定电流_时间曲线。
其中1为Ag/AgCl参比电极；2为Pt对电极；3为外部回路；4为工作电极；5为
基底；6为0型圈；7为反应室；8为硅橡胶塞。
具体实施例方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例无介体微生物燃料电池及其制备 如图1所示，该无介体微生物燃料电池采用三电极体系，包括工作电极4、参比电极1、对电极2和电极间的电解质层，与所述电解质层接触的所述工作电极侧面形成硼掺杂金刚石薄膜；所述微生物为产电微生物Shewanellaloihica PV-4 ;所述参比电极为含饱和KCl溶液的Ag/AgCl电极；所述对电极为Pt对电极；对电极仅作为电子传递的场所，并和工作电极组成外部回路3。所述参比电极下端设置0型圈6密封，无介体微生物燃料电池的反应室7通过硅橡胶塞8密封。 工作电极的硼掺杂金刚石薄膜为纳米草结构硼掺杂金刚石薄膜；所述电解质溶液
按其组分的浓度包括 乳酸 1Ommol/L ; NaHC03 2. 5g/L ;
CaCl2 2H20 0. 08g/L ; NH4C1 1. 0g/L ; MgCl2 6H20 0. 2g/L ; NaCl 10g/L ; HEPES 7. 2g/L。 该电池制备时可以按照如下步骤进行 1、菌种的培养 含乳酸的电解质溶液乳酸(10,1/L) ， NaHC03(2. 5g/L) ， CaCl2 2H20(0. 08g/L)，NH4C1 (1. Og/L) ， MgCl2 6H20(0. 2g/L) ， NaCl (10g/L) ， HEPES (7. 2g/L) ， pH 7. 8 ;
海洋肉汤培养基海洋肉汤培养基(20g/L) ， pH 7. 8。
以上培养基均在0. IMpa灭菌15min， 4。C冰箱保存备用。 Shewanella loihica PV-4在有氧条件下(30°C )用lOmL海洋肉汤培养基(20g/L)培养24h，然后在含有乳酸的电解质溶液中培养2d。
2、燃料电池的制备 分别将硼掺杂金刚石电极/纳米草结构硼掺杂金刚石电极(面积为1. 1cm2)、含饱和KC1溶液的Ag/AgCl参比电极、Pt对电极放入反应室中，加入4mL含有乳酸的电解质溶液，采用硅橡胶塞密闭，经通入N2 30min除氧后，加入Shewanella loihica PV-4菌体(0D660值为2. 0)，保持MFC的恒电位为0. 2V(25°C， pH 7. 8)进行电化学测定。
电池性能测试试验 电化学测定循环伏安曲线如图4和图5所示，电化学测定电流_时间曲线如图6所示。 如图2和图3所示，硼掺杂金刚石电极和纳米草结构硼掺杂金刚石电极的扫描电镜图可明显看出纳米草结构硼掺杂金刚石电极表面形成纳米阵列。从电化学测定循环伏安曲线(图4和图5)可以看出，空白的硼掺杂金刚石电极和纳米草结构硼掺杂金刚石电极均有很宽的电化学势窗，加入Shewanella loihica PV-4菌体后，硼掺杂金刚石电极和纳米草结构硼掺杂金刚石电极上均出现明显的氧化还原峰，说明细胞色素C在菌体和电极之间起着电子传递的作用。从电化学测定电流-时间曲线(图6)可以看出，加入Shewanellaloihica PV-4菌体后，硼掺杂金刚石电极和纳米草结构硼掺杂金刚石电极产生的最大电流值分别为1. 8 ii A禾P 4. 3 ii A，最终的平稳电流值分别为0. 3 ii A禾P 0. 9 ii A，即纳米草结构硼掺杂金刚石电极产生的电流是硼掺杂金刚石电极的3倍，说明纳米草结构电极表面的纳米草阵列增大了比表面积、减小界面阻力、加快了电子转移。 另外，本发明所选用的Shewanella loihica PV-4菌种购买于美国典型菌种保藏中心(ATCC)，保藏编号BAA-1088，简称S. loihica PV_4。 上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精
神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种无介体微生物燃料电池，包括工作电极、参比电极、对电极和电极间的含有有机物的电解液，其特征在于与所述电解液接触的所述工作电极侧面形成硼掺杂金刚石薄膜；所述工作电极上附着产电微生物，所述产电微生物为Shewanella loihica PV-4菌种。
2. 根据权利要求1所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于所述硼掺杂金刚石薄膜 为纳米草结构硼掺杂金刚石薄膜。
3. 根据权利要求1所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于所述电解质溶液按其组分的浓度包括乳酸10mmol/LNaHC032. 5g/L ;CaCl2 2H200. 08g/L ;NH4C11. 0g/L ;MgCl2 6H200. 2g/L ;NaCl10g/L ;HEPES7. 2g/L。
4. 根据权利要求l所述的无介体微生物燃料电池，其特征在于所述参比电极为Ag/ AgC1/饱和KC1溶液电极；所述对电极为Pt。
5. —种权利要求1所述的无介体微生物燃料电池的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤(1) Shewanella loihica PV-4在有氧条件下先后用海洋肉汤培养基、含有乳酸的电解 质溶液进行培养；(2) 将工作电极、参比电极、对电极放入反应室中，并加入适量的含有乳酸的电解质溶 液，除氧后加入步骤(1)培养的Shewanella loihica PV-4菌体组成所述无介体微生物燃 料电池。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中海洋肉汤培养基的浓度为 15 30g/L，所述培养时间为12 24小时。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(1)中所述进行培养的温度控制 在30°C。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中反应室通过硅橡胶塞密封， 并在加入Shewanella loihica PV-4菌体前通入N2进行除氧处理。
9. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中加入的Shewanellaloihica PV-4菌体的OD腳值为2.0。
10. —种权利要求1所述的无介体微生物燃料电池在电化学测定中的应用，其特征在 于所述燃料电池的测定条件为25°C， pH为7. 8，并保持恒电位为0. 2V。
全文摘要
本发明公开了一种无介体微生物燃料电池及其制备方法和应用，该燃料电池包括工作电极、参比电极、对电极和电极间的含有有机物的电解液，其特征在于与所述电解液接触的所述工作电极侧面形成硼掺杂金刚石薄膜；所述工作电极上附着产电微生物，所述产电微生物为Shewanella loihica PV-4菌种。该电池提高了电极的化学稳定性和电极的比表面积，从而提高了电流密度，克服微生物燃料电池产电效率低的缺点，可以应用于电化学应用技术领域。
文档编号G01N27/403GK101764242SQ20101004583
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月11日 优先权日2010年1月11日
发明者吴文果, 顾忠泽 申请人:东南大学