一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用 (Preparation method and application of biological fermentation manganese dioxide/graphene composite electrode material ) 是由 宋根娣 高亚辉 王佳伟 王芳 杨桦 张震 孙新媱 周阳 鲁照帅 何乡帅 任美欣 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用,先从锰矿石附近土壤中分离出菌株M1,接种到LB液体培养基中,回旋振荡培养后得到活化菌液,将活化菌液、氯化锰溶液接种到Lept液体培养基中,回旋振荡发酵培养,得发酵液；将石墨烯材料接种到发酵液中,回旋振荡发酵培养后高速离心,收集沉淀物,将沉淀物真空冷冻干燥,得复合电极材料前驱体；将前驱体高温煅烧,得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。本发明采用生物发酵法,利用矿石土壤中分离的细菌与氯化锰和石墨烯共同发酵培养,制备条件温和；所得复合电极材料电化学性能良好,可用于制备超级电容器、电池等,填补了复合电极材料生物技术制备领域的空白。(The invention relates to a preparation method and application of a biological fermentation manganese dioxide/graphene composite electrode material, which comprises the steps of firstly separating a strain M1 from soil near manganese ore, inoculating the strain M1 into an LB liquid culture medium, carrying out rotary oscillation culture to obtain an activated bacterial liquid, inoculating the activated bacterial liquid and a manganese chloride solution into a Lept liquid culture medium, and carrying out rotary oscillation fermentation culture to obtain a fermentation liquid; inoculating the graphene material into fermentation liquor, performing rotary oscillation fermentation culture, then performing high-speed centrifugation, collecting precipitate, and performing vacuum freeze drying on the precipitate to obtain a composite electrode material precursor; and calcining the precursor at high temperature to obtain the biological fermentation manganese dioxide/graphene composite electrode material. The invention adopts a biological fermentation method, utilizes bacteria separated from ore soil to carry out fermentation culture together with manganese chloride and graphene, and has mild preparation conditions; the obtained composite electrode material has good electrochemical performance, can be used for preparing super capacitors, batteries and the like, and fills the gap in the field of biotechnological preparation of composite electrode materials.)
技术领域
本发明涉及电极技术领域，更具体地，涉及一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用。
背景技术
随着能源资源的开发与利用，带来了气候变暖、资源短缺、生态环境恶化等一些列问题，因而必须发展配套的高效储能装置来解决这些问题。目前，高效储能技术得到各个国家的广泛关注，针对蓄电池等化学二次电源在实际使用过程中出现的各种缺陷，各个国家正积极深入地开发一种物理储能的二次电源，即大容量电容器(也称为超级电容器)，超级电容器的研究主要集中在高性能电极材料的制备上，从而提高电容器的容量和能量。目前电化学电容器电极材料有多种，有碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料，复合电极材料等。
金属二氧化锰价格低廉，储量丰富，环境友好、电化学性能良好，是一类重要的电极材料，在电池的正极材料、离子交换剂、催化剂等领域有着广泛的应用和重要的研究前景，如何提高二氧化锰电极材料的综合性能备受关注。
碳材料如活性炭、石墨烯、碳黑、碳纤维、碳气凝胶、纳米碳管等，作为电化学电容器的电极材料，当前的研究主要集中在制备具有大比表面积多孔电极材料上。
近年来研究热点是复合电极材料在蓄电池、超级电容器等二次电源上的应用。对于廉价金属二氧化锰/碳复合电极材料的开发研究尤为重要，有效解决单一电极材料的缺陷，通过利用各组分之间的协同效应来提高二次电源的综合性能。
电极材料的制备方法主要有电化学沉淀法、溶胶-凝胶法等，利用生物发酵制备复合电极材料的报道尚未见。研究证明某些假单胞细菌携带有特异性的锰氧化基因簇，其所编码的酶在细胞表面可催化形成锰氧化物多聚体。假单胞细菌在生长繁殖过程中会分泌多糖、蛋白质等物质，这些物质聚集在细胞表面，可以将Mn2+聚集在细胞表面，使Mn2+反应物质浓度提高，通过假单胞细菌所编码的多种酶催化可形成锰氧化物。
随着社会发展，人类对绿色能源和生态环境越来越关注，研究一种绿色环保的二氧化锰/石墨烯复合材料尤为重要。利用矿石土壤分离的细菌进行生物发酵，具有安全性高、绿色环保、成本低廉等特点，在绿色合成二氧化锰/石墨烯复合电极材料领域有着广阔的应用前景，弥补了电极材料制备方法在生物领域的空白。
发明内容
本发明提出一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法及应用，采用生物发酵法，有效利用矿石土壤中分离的细菌以及氯化锰、石墨烯共同进行发酵培养，所得二氧化锰通过细菌粘附作用均匀稳定地附着在石墨烯表面，所得复合电极材料具有清晰的形貌特征，电化学性能良好。本发明制备条件温和，可用于制备超级电容器、电池等，填补了复合电极材料生物技术制备领域的空白。
本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)菌种活化：从锰矿石附近的土壤中分离出菌株M1，无菌操作接种于LB培养基平板上活化10-15h，然后挑取一株活化后的菌株M1无菌操作接种到50ml LB液体培养基中，在全温振荡培养摇床中回旋振荡培养12-18h得培养菌液，将培养菌液离心后弃上清液，所得沉淀加无菌水，得到活化菌液，待用；
(2)首次接种培养：依次将步骤(1)制备的活化菌液、氯化锰溶液无菌操作接种到Lept液体培养基中，在全温振荡培养摇床中回旋振荡发酵培养，得到发酵液；
(3)二次接种培养：取石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的发酵液中，在全温振荡培养摇床中回旋振荡发酵培养，将培养后的发酵液高速离心，弃上清液，收集沉淀物，待用；
(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)收集的沉淀物进行真空冷冻干燥，得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
(5)高温煅烧处理：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体进行高温煅烧，得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
进一步地，步骤(1)所述的菌株M1为假单胞细菌。
进一步地，步骤(1)的培养温度为28-30℃，回旋振荡速度为130-180r/min；所述培养菌液分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml所述培养菌液进行离心，离心操作的速率为3000-4000r/min，离心时间为2-4min，离心后弃上清液，所得沉淀加入500ul无菌水，得到所述的活化菌液。
进一步地，步骤(2)中活化菌液的接种量为5ul/ml，氯化锰溶液的接种量为0.2-1.4ul/ml，氯化锰溶液的浓度为1mol/L。
进一步地，步骤(2)中回旋振荡发酵培养的温度为28-30℃，回旋振荡的速度为130-180r/min，时间为36-60h。
进一步地，步骤(2)中所述的Lept液体培养基的组成包括：0.5g/L酵母提取物，0.5g/L Casa mino Acids(酪蛋白氨基酸)，1g/L葡萄糖，10mM HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mM CaC12，0.83mM MgSO4，3.7μM FeCl3。
进一步地，步骤(3)中石墨烯的接种量为0-0.05mg/ml，发酵培养的时间为2-3天；高速离心的速率为8000-10000r/min，离心时间5-15min。
进一步地，步骤(4)中真空冷冻干燥的温度为-70℃，时间为18-24h。
进一步地，步骤(5)中高温煅烧的具体操作为：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，在此温度下保温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，保温1h；最后将煅烧炉在180min内升温至700-900℃，然后随炉冷却。
上述方法制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料在超级电容器与电池制备领域中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用生物发酵法，有效利用矿石土壤中分离的细菌以及氯化锰和石墨烯共同进行发酵培养，二氧化锰颗粒通过细菌粘附作用稳定附着在石墨烯表面，制备条件温和，分布均匀。
(2)本发明制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料具有清晰的形貌特征，采用生物发酵的方法成功将氯化锰中的锰元素有效利用，生物合成了二氧化锰，电化学性能良好。
(3)本发明制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料具有良好的电化学性能，可用于制备超级电容器、电池等，具有安全性高、绿色环保、工艺简单、操作方便等特点，填补了复合电极材料生物技术制备领域的空白。
附图说明
图1是实施例3制备的生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料的SEM图；
图2是实施例3制得的生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料的电化学性能图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面将结合实施例和附图来进一步阐述本发明。本实施例以本发明的技术为基础实施，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
从锰矿石附近的土壤中分离出菌株M1(分离方法为现有技术，不再赘述)，置于冰箱中冷冻保存，使用时取出菌株M1，无菌操作接种于LB培养基平板上于28-30℃活化12h左右，然后进行后续操作。所述的菌株M1具体是假单胞细菌。
实施例1
(1)菌种活化：从LB培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌M1，无菌操作接种到50ml LB液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为130r/min下回旋振荡培养12h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在3000r/min的速率下离心2min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/L氯化锰溶液20ul，无菌操作依次接种到100ml的Lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为130r/min下回旋振荡培养36h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
所述Lept液体培养基的组成包括：0.5g/L酵母提取物，0.5g/L Casa mino Acids(酪蛋白氨基酸)，1g/L葡萄糖，10mM HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mM CaC12，0.83mMMgSO4，3.7μM FeCl3；
(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种0.5mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为130r/min下回旋振荡培养2天，将培养后的20瓶发酵液于8000r/min下高速离心5min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于-20℃冰箱保存，待用；
(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于-70℃冷冻干燥18h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至700℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
实施例2
(1)菌种活化：从LB培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌M1，无菌操作接种到50ml LB液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养14h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在3500r/min的速率下离心2min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/L氯化锰溶液40ul，无菌操作依次接种到100ml的Lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于30℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养48h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
所述Lept液体培养基的组成包括：0.5g/L酵母提取物，0.5g/L Casa mino Acids(酪蛋白氨基酸)，1g/L葡萄糖，10mM HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mM CaC12，0.83mMMgSO4，3.7μM FeCl3；
(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种1mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于30℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养2.5天，将培养后的20瓶发酵液于8000r/min下高速离心10min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于-20℃冰箱保存，待用；
(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于-70℃冷冻干燥18h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至800℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
实施例3
(1)菌种活化：从LB培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌M1，无菌操作接种到50ml LB液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养16h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在3500r/min的速率下离心2min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/L氯化锰溶液100ul，无菌操作依次接种到100ml的Lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养48h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
所述Lept液体培养基的组成包括：0.5g/L酵母提取物，0.5g/L Casa mino Acids(酪蛋白氨基酸)，1g/L葡萄糖，10mM HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mM CaC12，0.83mMMgSO4，3.7μM FeCl3；
(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种3mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养2.5天，将培养后的20瓶发酵液于8000r/min下高速离心10min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于-20℃冰箱保存，待用；
(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于-70℃冷冻干燥20h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至800℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
图1是本实施例制备的生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料的扫描电镜图，表明所制备的复合电极材料的石墨烯表面均匀附着有二氧化锰颗粒，图1中小箭头所指示的便为二氧化锰颗粒。
图2是本实施例制备的生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料在1A/g电流密度下的充放电曲线，表明所制备的复合电极材料具备良好的电化学性能。
实施例4
(1)菌种活化：从LB培养基平板上挑取一株活化后的土壤细菌M1，无菌操作接种到50ml LB液体培养基中，在全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养18h，将培养后的菌液(以下简称“培养菌液”)分装到多个1.5ml的离心管中，每个离心管中加入1ml培养菌液，在4000r/min的速率下离心4min，弃上清液，每个离心管中的沉淀用500ul无菌水洗涤，即得活化菌液，待用。
(2)首次接种培养：取步骤(1)制备的活化菌液500ul、1mol/L氯化锰溶液120ul，无菌操作依次接种到100ml的Lept液体培养基中，放入全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养48h，得到发酵液，采用上述方法共制备20瓶发酵液，待用；
所述Lept液体培养基的组成包括：0.5g/L酵母提取物，0.5g/L Casa mino Acids(酪蛋白氨基酸)，1g/L葡萄糖，10mM HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)，0.48mM CaC12，0.83mMMgSO4，3.7μM FeCl3；
(3)二次接种：取制备好的石墨烯材料，无菌操作接种到步骤(2)制备的20瓶发酵液中，每瓶发酵液中接种5mg石墨烯，放回全温振荡培养摇床中于28℃、在振荡速度为150r/min下回旋振荡培养3天，将培养后的20瓶发酵液于10000r/min下高速离心10min，弃上清液，收集所有沉淀物于塑料烧杯容器中，置于-20℃冰箱保存，待用；
(4)冷冻干燥处理：将步骤(3)制备的沉淀物放入真空冷冻干燥箱内，于-70℃冷冻干燥24h后取出，即得生物二氧化锰/石墨烯复合电极材料前驱体；
(5)煅烧：将步骤(4)制备的复合电极材料前驱体置于高温煅烧炉中，在惰性气体氮气氛围下，将煅烧炉以2℃/min的速率升温至250℃；再以1℃/min的速率升温至320℃，恒温1h；然后再以1℃/min的速率升温至550℃，恒温1h；最后在180min内升温至800℃，冷却，即得生物发酵二氧化锰/石墨烯复合电极材料。
以上所述仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明还可以根据以上结构和功能具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。