[發明專利]一種利用細菌自修飾制備的多孔碳材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811041473.0
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN109019558B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 柴立元;張可菁;司夢瑩;劉明人;顏旭;石巖;楊志輝
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01G11/24;H01G11/44
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 魏娟

本發明公開了一種利用細菌自修飾制備的多孔碳材料及其制備方法和應用。通過改變培養基的氮含量調控細菌(Cupriavidus basilensis B?8，保藏編號CGMCC No.4240)自身積累PHA，直接采用離心收集的菌體進行碳化無需任何活化步驟制備分級多孔碳材料。本發明的細菌自修飾衍生多孔碳材料具有微孔和介孔雙重分級結構。將其用作超級電容器電極材料，在電流密度為1A/g時，其比容達335F/g；電流密度增大到20A/g時，其比容保持為286F/g，顯示了良好的電容量和優異的倍率性能。本制備方法具有新穎、操作簡單、制備成本低等優點，制備的材料具有分級孔徑、比表面積大、導電性好、電化學性能優異的特點，是一種理想的超級電容器或電池用電極材料。

技術領域

本發明屬于碳材料制備技術領域，尤其涉及一種利用細菌自修飾制備的多孔碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

細菌作為原核生物，具有堅固的細胞壁，即使在相對惡劣的環境中也能維持完整細胞系統。重要的是，它們廉價而豐富的，是自然提供的“綠色”可再生的生物資源。因此，這些微生物有望成為用于生產具有一些特殊性質的納米至微米尺寸材料的生物模板，創造出一系列具有新穎特征和特性的材料。但是將細菌材料作為超級電容器電極材料的報道較少，Sun(EnergyEnvironmental Science,2012,5(3):6206-6213.)等人采用大腸桿菌表面負載氧化石墨烯并與冷凍鑄造相結合，進而合成出具有高比電容(1A/g，327F g^-1)的多孔碳。但是，該多孔碳材料的制備過程復雜，條件要求苛刻，且倍率性能不佳(5A/g，160F g^-1)。Zhu等人(Journal of Materials Chemistry A,2017,6(4))通過氫氧化鉀活化選定的藻類微球合成高性能“綠色”碳基超級電容器電極材料表現出來良好的電化學性能。雖然該多孔活性炭材料的制備工藝簡單，但是，藻類的培養時間較長需要10天且每天需要進行補料，同時堿活化劑對設備具有較強的腐蝕性并造成環境污染。因此，尋找一種簡單綠色環保的菌體修飾方法以制備高性能的多孔碳材料具有重大的科學意義和社會效益。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的第一個目的在于提供一種利用細菌自修飾制備的多孔碳材料；該多孔碳材料具有分級孔徑結構，比表面積大，電化學性能優異。

本發明的第二個目的在于提供一種制備方法簡單、環境友好的上述多孔碳材料的制備方法。

本發明的第三個目的在于提供一種上述多孔碳材料的應用，將上述多孔碳材料應用于超級電容器，表現出高的比電容特性及優異的倍率性能。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：

本發明一種利用細菌自修飾制備的多孔碳材料，所述多孔碳材料通過細胞內積累有PHA的木質素降解菌經碳化處理獲得。

優選的方案，所述多孔碳材料的比表面積為1687～2442m²/g。

本發明一種利用細菌自修飾制備的多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將木質素降解菌接種于缺氮無菌培養基中，培養后，固液分離、干燥、獲得產物；

(2)將步驟(1)所得產物置于惰性氣氛中碳化處理，獲得碳化產物經凈化處理，即為多孔碳材料。

本發明的技術方案，將木質素降解菌接種于缺氮無菌培養基中，細菌在缺氮條件將自身合成PHA作為分子內積累，而采用這種積累有PHA的細菌，作為碳碳源合成生物碳，可僅通過細菌的自修飾，而無需物理和化學活化過程，即可獲得具有分極孔結構、比表面積大的多孔碳材料。發明人推斷，是由于細菌胞內積累的PHA作為高分子聚酯相當于內置的碳骨架增強細胞的抗壓性防止菌體細胞的融合集聚，同時細菌積累PHA后提高了菌體中的氧含量，PHA中均勻分布的含氧基團(羰基、羥基)在碳化過程中有利于形成孔隙提高碳材料的比容量，并增加碳材料的潤濕性，從而可獲得最有優異電化學性能的多孔碳材料。