复合电池电极的应用和包括该复合电池电极的光助生物燃料电池

本发明涉及生物燃料电池，特别涉及复合电池电极的应用和包括该复合电池电极的光助生物燃料电池。

背景技术：

1、co2可催化还原为含碳的高附加值化学品，可用于制备碱、甲酸、甲醇、甲醛等工业原料，还能用于藻类培养，制糖、干冰等食品卫生领域。

2、氮是大气中含量最丰富的元素，主要以氮气的形式存在，然而，氮气分子非常稳定，因此大多数动植物不能直接利用氮气，须用各种方法使氮气成为含氮的化合物，如存在于自然界氮循环中的氨、铵离子、亚硝酸根、硝酸根等，才能获得所需的氮素。生物体吸收这些氮化合物后，再合成生存、成长与繁衍所需的其它含氮化合物，如氨基酸、蛋白质和核酸。目前，常用的工业固氮方式主要为哈伯-博施法，但需在高温高压条件下，用铁粉当催化剂，促使氮气与氢气反应生成氨，再进一步制成氮肥，此法成效不佳且极耗能源。现在，诸多科学家，都在研究模拟生物固氮，其中固氮细菌作为一种环境友好型微生物，可将大气中的氮转化为植物可利用的氮源，已成为科学家研究的方向之一，如果可以通过人工方法提高固氮细菌的固氮活性将有助于进行氮气固定。

3、α-酮戊二酸(α-ketoglutarate，α-kg)，又称2-氧代戊二酸，其在微生物细胞的代谢中起着重要的作用，是三羧酸循环(tca)的重要中间产物之一，在生物体内参与氨基酸、蛋白质、维生素的合成以及能量代谢；α-酮戊二酸在各个领域有着重要的应用前景，作为一种营养强化剂，广泛应用于食品、医药、有机合成、化妆品和饲料等工业中。由于α-酮戊二酸应用范围不断扩大，市场需求也在不断增长。直至现在国内工业化生产α-酮戊二酸主要采用的是有机合成法，该方法涉及一系列复杂的化学反应过程，但存在很多问题，例如原料来源、环境污染等方面一系列问题。所以开发一种高效、环保的合成方法来代替化学合成法已迫在眉睫。

4、生物燃料电池(bfc)作为一种绿色能源转换装置，以微生物或酶作为催化剂，直接将燃料的化学能转化为电能，具有燃料来源广泛、环境友好等优点。目前为止，未见将生物燃料电池应用于nadh的循环再生、α-酮戊二酸合成以及n2/co2固定的报道，有鉴于此，发明人为了满足市场需求，填补此项技术空白，提出了本技术。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在将生物燃料电池应用于nadh的循环再生、α-酮戊二酸合成以及n2/co2固定的技术空白，本技术提供了复合电池电极的应用和包括该复合电池电极的光助生物燃料电池。

2、为了解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案：

3、本技术提供了复合电池电极的应用，所述复合电池电极为光阳极或生物阴极；所述光阳极为硫化镉-石墨烯复合阳极，所述光阳极在nadh的循环再生和α-酮戊二酸合成中的应用；所述生物阴极是在石墨烯电极上负载维涅兰德固氮菌与聚(芴-苯并噻二唑)生物非生物混合系统，并酰胺键固定甲酸脱氢酶而成，所述生物阴极在固定n2和/或co2中的应用。

4、本技术所述阳极在nadh的循环再生和α-酮戊二酸合成方法为：所述光阳极在光照下产生电子和空穴，空穴将阳极电解质溶液中的nadh氧化为nad+，电解质溶液中的谷氨酸脱氢酶gldh利用nad+将l-谷氨酸钠生成α-酮戊二酸，并实现nadh的循环再生。

5、进一步的，所述阳极电解质溶液为ph为9的tris-hcl缓冲液。

6、本技术所述生物阴极固定co2方法为：在含有碳源的阴极电解质溶液中通co2并保证气体氛围，所述生物阴极接受电子后，所述生物阴极的甲酸脱氢酶fdh将co2转化为甲酸。

7、本技术所述生物阴极固定n2的方法为：在阴极电解质溶液中通n2并保证气体氛围，所述生物阴极接受电子后，在光照条件下，所述生物阴极将n2转化为nh4+。

8、进一步的，所述光阳极的制备方法为：co2激光照射含镉离子的聚醚砜膜改性的ito玻璃，同步实现激光诱导cds的结晶和石墨烯lig的形成，最终得到硫化镉-石墨烯复合阳极。

9、进一步的，所述生物阴极的制备方法为：pfbt溶液和psma溶液混合得到pfbt-nps溶液，将混合溶液加入维涅兰德固氮菌培养基中得到生物非生物混合菌液，将孵育后的石墨烯电极置于所述生物非生物混合菌液中并加入fdh，最终得到生物阴极。

10、更进一步的，所述生物阴极的制备方法包括如下条件之一：

11、1)edc和nhs滴加激光诱导石墨烯上进行电极孵育；其中，孵育的温度为37℃，孵育的时间为1h；

12、2)加入fdh前进行电压孵育，加入fdh后在co2气氛下孵育；其中，电压孵育的条件为，28℃温度下，-0.5v电压孵育5天；co2气氛下孵育的条件为，在co2气氛下4℃孵育12h。

13、最后，本技术提供了光助生物燃料电池，其包括阳极电极、阴极电极以及阴阳两极室，其中，阴阳两极室包括阴极室及其室内的阴极电解液、阳极室及其室内的阳极电解液和两室之间的质子交换膜，所述阴极电极和阳极电极分别悬挂置于阴极室和阳极室内，并浸没于各室内的电解液中，阴阳电极通过导线连接，无需外接电路；所述阳极电极为本技术上述的光阳极，所述阴极电极为本技术上述的生物阴极。

14、进一步的，所述阳极电解液电解液为ph为9的tris-hcl缓冲液，在所述阳极电解液中加入nadh、gldh和l-谷氨酸钠，对所述阳极室内提供光照条件；在所述阴极室内通入co2和/或n2并保持气体气氛，所述电解质中加入碳源和/或进行光照，通过导线将光生电子传递给所述阴极电极。

15、本技术首次提出了硫化镉-石墨烯复合阳极在nadh的循环再生和α-酮戊二酸合成中的应用，同时，提出了石墨烯电极上负载维涅兰德固氮菌与聚(芴-苯并噻二唑)生物非生物混合系统，并酰胺键固定甲酸脱氢酶形成的生物阴极在固定n2和/或co2中的应用。本技术提供的方案具有以下有益效果：

16、本技术提供的金属硫化物-石墨烯纳米复合光阳极，可以实现快速、稳定、重现性好的光电流响应，提高光的利用率，阳极在光照下产生的空穴则可以将nadh氧化为nad+，阳极电解质溶液中的gldh能够利用阳极氧化生成的nad+将l-谷氨酸钠转化为高附加值的α-酮戊二酸，实现nadh的循环再生和α-酮戊二酸的合成。

17、本申提供的生物阴极使用激光诱导石墨烯作为电极，负载生物非生物混合系统，并利用酰胺键固定fdh；此生物阴极的生物非生物混合系统和fdh接收阳极产生的电子分别将n2和/或co2还原为nh4+和/或甲酸，实现了n2和/或co2的高效固定。

18、基于金属硫化镉-石墨烯复合光阳极与生物非生物混合系统/fdh/激光诱导石墨烯生物阴极成功构建光助生物燃料电池，在光照条件下，光阳极产生空穴与电子，空穴氧化底物或辅酶因子，实现nadh的循环再生和α-酮戊二酸合成；阳极生成的光电子经外电路到达生物阴极驱动燃料还原，开展微生物杂化光合固碳和/或固氮创新模式。本技术提供的光助生物燃料电池实现了太阳能到电能的转化，无需外加电源，只需将两极连接，以生物燃料电池作为固碳元件，与生物杂化光合固碳和固氮系统有效结合，可实现空穴与电子“各司其职”，避免微生物氧化损伤，有助于n2和co2的同时固定，并实现高附加值产品α-酮戊二酸等的合成。