[發明專利]一種生產氧化石墨烯和氫氣的高效生物電化學方法和系統

有效

• 申請號: 201680068272.2
• 申請日: 2016-10-31
• 公開（公告）號: CN108699711B
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 金松;李然;保羅·付格林;金愷倫
• 申請（專利權）人: 華烯科技有限公司
• 主分類號: C25B3/00
• 分類號: C25B3/00;C25B3/02;H01M4/133
• 代理公司: 北京君尚知識產權代理有限公司 11200
• 代理人: 余長江

氧化石墨烯(GO)是一種對能源、環境和其它領域非常重要的材料。在過去，氧化石墨烯是通過化學方法生產，生產過程中需要高的能耗和使用危險化學品。本發明提出了一種通過石墨、煤炭及其它碳基材料生產氧化石墨烯(13)的生物電化學系統(BES)，包括微生物、陽極(11)和陰極(14)，該系統可以在常規環境條件下進行并無需使用化學試劑。在一些實施例中，還可以生產有商業價值的有機物(17)和H₂(16)。

優先權

本申請是一份聲明優先權的PCT國際申請，要求2015年10月31日遞交的申請號為62/249，227的美國臨時申請號的優先權的PCT國際申請，且美國發明申請的利益在此全部以引用方式并入本申請。

技術領域

本發明涉及氧化石墨烯的高效生產。更具體地，本發明涉及在普通環境或者更溫和環境中，利用石墨、煤和其它碳基材料，通過一種包含微生物、電流和生物電化學反應的方法和系統生產氧化石墨烯以及氫氣。

背景技術

石墨烯和其前驅體氧化石墨烯(GO)屬于新型材料的新領域，具有獨特的電、熱、甚至機械性能并具有廣泛的應用潛能。目前，常規的石墨烯生產技術包括在高溫和其他極端反應條件下將石墨通過化學氧化轉換成氧化石墨或者是氧化石墨烯，然后再將氧化石墨烯通過化學、熱處理或者是電化學技術還原成石墨烯。氧化石墨烯不僅是大規模生產石墨烯類材料的一種重要的前驅體，并具有廣泛的應用潛能，包括但不局限于電子學、光電子學、生物納米技術、可再生能源、膜研究、環境應用等。在過去，氧化石墨烯只能通過基于Hummers、Brodie和Staudenmaier技術的化學氧化合成。上述所有化學方法均需要使用濃縮的酸如硫酸(H₂SO₄)和硝酸(HNO₃)，甚至是有毒試劑如重鉻酸鉀(K₂Cr₂O₇)和高錳酸鉀(KMnO₄)，甚至是易爆炸的高氯酸鉀(KClO₃)，以將石墨氧化成石墨烯。上述方法成本昂貴，危險性高，且是不可持續的。

一些通過電化學剝離石墨生產氧化石墨烯或石墨烯的方法已經被嘗試，比如在離子溶液(如水溶性酸溶液和無機鹽溶液)中通過加載約7-20V電壓生產氧化石墨烯和石墨烯。但是，產物被報道在晶格中有不同程度的缺陷，甚至有氧摻雜。一些通過生物學方法也已經被嘗試，且報道顯示微生物能將石墨氧化成氧化石墨烯納米片，但是對外部碳源和氧的要求以及反應速率太低以致其不具有商業價值。

因此，存在提供一種能夠以具有商業價值的速率、在普通環境、溫和條件下等生產氧化石墨烯和石墨烯的新方法和系統的需要。

發明內容

本發明提供了一種利用生物電化學系統生產氧化石墨烯和氫氣的高效方法和系統。

本發明的一個目的是提供一種在普通環境條件下，利用石墨、煤或其它碳基化合物等類似原料生產氧化石墨烯和氫氣的高效生物電化學方法。

本發明的另一個目的是提供一種針對該生物電化學方法的裝置，該裝置包括：任意形狀的反應容器；任意形式的陽極，包括但不局限于石墨、煤或其他碳質材料的固體塊、棒、顆粒、粉末等；任意形式的陰極，包括但不局限于不銹鋼、碳、石墨、合金金屬；供應微生物生長的溶液，溶液中包含但不局限于微生物、營養物質和微量元素及其任意組合。微生物種類包括但不局限于好氧微生物、兼氧微生物和厭氧微生物以及其它具有不同代謝反應的微生物。接種微生物的來源可能包括污泥、土壤和其它含微生物的介質及其任意組合。

當然，關于本發明更詳細的對象、目標、實施方案將在本申請的說明書、要求保護的技術方案和附圖中進行公開。

附圖說明

以下是關于本發明典型實施例的描述和相關附圖。當然，可以對公開的實施例進行的調整，仍將落入本申請及被授權專利的范圍和精神之內。