一种基于石墨烯生物水凝胶的电催化还原二氧化碳方法

本发明属于生物电化学领域，涉及一种微生物电催化二氧化碳还原的方法，特别是涉及一种生物水凝胶的微生物电催化二氧化碳还原的方法，以提高微生物电催化二氧化碳还原的效能。

背景技术：

1、电催化可以将绿色电力转化为可持续的能源载体，并在环境条件下同时产生低碳足迹的化学物质。其中，电催化二氧化碳还原产物，甲酸盐具有稳定的性能，可以在制药、电解冶金和皮革工业中作为液体能量载体或原料。因此实现电催化二氧化碳转化对解决温室效应等具有重要意义。

2、目前为了实现co2电催化还原(co2er)，金属(cu和ag)等非生物电催化剂得到了广泛的研究。然而，这些金属对甲烷和co是有选择性的。此外，其他金属(sn和in)和有机金属配合物也在探索。但是这些非生物电催化剂存在过电位高、能源效率低等缺点。而与这些化学催化剂相比，电催化co2r的生物催化剂的能量更低，但是生物催化剂很难适应极端环境，如强酸强碱和极端温度环境。此外，制备了含有共价连接介质的低电位氧化还原聚合物，用于高效的电酶co2-甲酸盐。然而，这些介质对于电催化甲酸盐的生产来说非常昂贵，而介导电子转移(met)过程很难实现高法拉第效率，甚至有可能导致短路反应。虽然直接电子转移(det)方法已经发出来用于电酶co2-甲酸盐，但附着在电极表面用于电子通信的fdhs仅限生物相容性界面。而且fdhs几乎是氧敏感敏感的，由于需要复杂和昂贵的纯化过程，对扩大应用具有较大的挑战。

3、微生物电化学系统(bes)是通过微生物和电极之间的作用，不但可以将胞内还原力转化为胞外电能，而且还能将胞外电能摄取为胞内还原力，在环境与能源研究领域受到广泛的关注。与传统电化学装置中的贵金属催化剂相比，bes中的微生物催化剂具有成本低、室温操作、丰富易得、自再生和自适应、对底物的灵活性以及对环境应力的良好抵抗力等显著优点，并且全细胞生物催化剂是兼性厌氧、寿命长，对生物氢和沼气生产等阴极反应具有成本效益。全细胞微生物(e.g.,甲基细菌am1、希瓦氏菌mr-1，甚至大肠杆菌)与外源性介质(如中性红色和甲基病毒)能够在bes中实现co2-甲酸的转化。由于细胞内fdhs的氧化还原电位较低，且缺乏det通路，全细胞co2r更倾向于选择介质来实现跨膜电子转移。然而，外源性介质分子对微生物有毒，可能导致低效的co2r和不纯产物在下游分离。因此，构建一个无外源性介质的全细胞系统用于甲酸盐电合成至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是在没有外源性添加介质的情况下，克服微生物跨膜电子转移缓慢的问题，提供一种基于含有生物还原氧化石墨烯(rgo)和活电活性细菌(eab)的生物水凝胶的生物电化学二氧化碳还原的方法，而eab表现出的自组装生物水凝胶的能力，进一步作为了生物阴极驱动co2-甲酸盐电合成。在eab与还原氧化石墨烯纳米片的紧密相互作用下，跨膜电子转移的法拉第效率较高，且在没有外源介质的情况下，提高了甲酸盐的滴度。

2、本发明的目的通过一下技术方案来实现:

3、一种基于生物水凝胶的生物电化学二氧化碳还原的方法，其特征在于，双室生物电化学系统中把含电活性细菌(eab，主要指希瓦氏菌pv-4)和氧化石墨烯(go)的最佳混合物允许生产还原氧化石墨烯纳米片和自组装的生物水凝胶作为生物电化学co2r的阴极，使其在没有外源性介质的情况下提高电子跨膜转移效率，以至二氧化碳合成含量较高的甲酸盐。

4、所述方法中，生物水凝胶制备的合成培养基含有5％(v/v)新鲜lb培养基和18mm乳酸，而m9缓冲液成分(6g/l磷酸氢二钠，3g/l磷酸一钾，0.5g/l氯化钠，1g/l氯化铵，1mmmgso4，0.1mm氯化钙)。

5、所述方法中，采用改良hummers法制备稀释6mg/ml的氧化石墨烯(go)。将2ml规定浓度的氧化石墨烯溶液与含有规定pv-4的细胞密度的2ml合成培养基混合。再将碳素布/不锈钢(1cm×2cm)浸入上述混合溶液中，作为基底电极。氧化石墨烯生物还原在30℃有氧固定培养下进行，12h后，将基底电极转移到厌氧工作站，用m9缓冲液洗涤，然后在基础培养基(ph 7.2)和30℃在厌氧工作站进行接下来的24小时的测试。最后，获得了还原氧化石墨烯/pv-4生物水凝胶。

6、所述方法中，选择s.loihicapv-4合成全细胞生物水凝胶，其中细菌与氧化石墨烯溶液和基底电极(碳布和不锈钢)混合，在疏水性表面形成rgo纳米片层。大型层状纳米片(大约5m宽)足以容纳浮游的s.loihica pv-4细胞。

7、本发明中负电位来促进逆转det和通过膜结合c-细胞色素，增强co2r。此外，中性ph有利于阴极二氧化碳电还原，但仍难以进一步提高到65％以上,不过生物水凝胶合成的细胞密度的降低导致了甲酸盐的积累和fe.在还原氧化石墨烯中带8od600的pv-4生物水凝胶是co2-甲酸盐电合成的最佳选择，～值为99.5％，滴度为4.2±0.35mm甲酸盐。且与全电池和nr介质中含有阴极(co2-甲酸盐电合成只有57.8％的fe)相比，这种fe要高得多，而高fe为实现基于生物电化学co2r的电能存储和电力-化学转换提供了可能性。

8、本发明方法采用无外源性介质和全细胞固定化生物水凝胶电合成co2-甲酸盐，其中含电活性细菌(eab，主要指希瓦氏菌pv-4)和氧化石墨烯(go)的还原氧化石墨烯纳米片的生物水凝胶作为生物电化学co2r的阴极，电活性细菌(eab)表现出自组装生物水凝胶的能力，再其与还原氧化石墨烯纳米片的相互作用下，提高了跨膜电子转移的法拉第效率，在没有外源介质的情况下，增加了甲酸盐滴度。而pv-4具有特殊的fdh，可能具有特定的co2/碳酸氢盐亲和力和电子接受能力，以增强甲酸盐电合成。本发明基于生物水凝胶的微生物电催化二氧化碳还原的方法，解决了二氧化碳电催化还原传统方法中面临的成本高，电能转化效率低等问题，且生物水凝胶中pv-4细胞的电子转移机制可能拓宽了外源无介质全细胞电合成和生物二氧化碳还原二氧化碳还原可再生能源存储的实际应用，对治理二氧化碳过度排放，全球气候变暖有重要意义。

9、本发明的有益效果：

10、(1)本发明为连接细菌细胞和电极的有效电子转移提供了一种简便和实用的方法，并为将电能储存到含有生物电化学二氧化碳还原的化学物质中提供了新的可能性。

11、(2)本发明提高了跨膜电子转移的法拉第效率，且在没有外源介质的情况下，合成的甲酸盐含量也显著提高，使二氧化碳电催化还原更高效，也为解决二氧化碳过度排放提供新思路。

技术特征：

1.一种通过构建自组装rgo/pv-4生物水凝胶进行电催化微生物固碳的方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的生物水凝胶，其特征在于，

3.权利要求1或2任一项所述生物水凝胶的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于，所述优化全细胞生物水凝胶制备的的方法如下，

5.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于，所述优化生物水凝胶电极电合成性能的方法如下，

6.权利要求1或2任一项所述生物水凝胶在化工、制药或环境领域中实现二氧化碳的高效循环利用的应用。

技术总结本发明公开了一种通过构建石墨烯自组装生物水凝胶进行电催化微生物固碳的方法，属于生物电化学领域。本发明以Shewanella loihica PV‑4为出发菌，减少GO并合成自组装的rGO/PV‑4生物水凝胶。这种纳米材料‑微生物杂化生物水凝胶被用作生物阴极，并表现出优异的电催化性能，如富马酸盐和CO<subgt;2</subgt;电还原。选择EAB常用的电子受体富马酸盐进行电还原,当在三电极和无外源性介质的BES中加入富马酸时，从rGO/PV‑4生物水凝胶阴极中可以观察到反向电流的快速响应,反向电流的最大值为354μA/cm<supgt;2</supgt;。此外，通过微生物电合成实验，发现上述水凝胶阴极将CO<subgt;2</subgt;转化为甲酸盐，法拉第效率达到了99.5％，甲酸盐积累浓度也达到了最高7.0±1.1mM。从而拓宽外源无介质全细胞电合成和可再生能源存储的实际应用。技术研发人员：董明月,张怡晴,李佳玮,陈涵,方真受保护的技术使用者：江苏大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9