碳化细菌纤维素的合成及电化学性能研究

论文总字数：11659字

摘 要

三维结构(3D)的多孔碳化细菌纤维素(CBC)是一种新型的碳材料，用作电极材料时能够极大地提高电化学过程的稳定性。本文利用红茶菌发酵的方法，首先合成了细菌纤维素(BC)，将其纯化后冻干，一定条件下碳化后获得CBC，再通过XRD、SEM及BET对其进行结构表征，最后以血红蛋白(Hb)为探针分子，通过循环伏方法测定其在CBC/NF-GCE 表面的直接电子转移，电子转移速率常数k_s 为4.55 ± 0.50 s⁻¹，还测试了Hb-CBC/NF 复合界面对O₂ 、H₂O₂的催化性能。

关键词： 红茶菌，循环伏安法，CBC，电子转移，细菌纤维素，电化学

Abstract： Porous carbonized bacterial cellulose (CBC) is a new kind of carbon material with the three-dimensional structure (3D). It can greatly improve the stability of electrochemical process when it is used as electrode material. In this paper, the bacterial cellulose (BC) was synthesized by using the method of fermentation of black tea fungus. After it was purified and dried, CBC was obtained after carbonization, and then the structure was characterized by XRD, SEM and BET. Finally, hemoglobin (Hb) was used as the probe molecule, and the direct electron transfer on the surface of CBC/NF-GCE was measured by the cyclic volt method. The electron transfer rate constant K_S is 4.55 0.50 s^-1, and the catalytic performance of Hb-CBC/NF composite interface for O₂ and H₂O₂ is also tested.

Keywords： Black tea fungus, Cyclic voltammetry , CBC, Electron transfer, bacterial cellulose, Electrochemistry

目 录

1 前言 4

2 实验部分 6

2.1试剂 6

2.2 电极的预处理 6

2.3 CBC的制备方法 7

2.4 修饰电极的制备方法 7

2.5 仪器及测试条件 8

3结果与讨论 8

3.1 CBC的表征 8

3.1.1 CBC的XRD测试 8

3.1.2 CBC的BET表征 9

3.1.3 CBC的SEM照片 10

3.2 Hb-CBC/NF/GCE 的直接电化学 10

3.3 Hb 的电子传递速率 11

3.4 Hb-CBC/NF/GCE的电催化性能 1

3.4.1 Hb-CBC/NF/GCE对O₂的电催化 1

3.4.2 Hb-CBC/NF/GCE对H₂O₂ 的电催化 1

结 论 1

参 考 文 献 1

致 谢 18

1 前言

细菌纤维素(简称BC)，是一种主要由细菌发酵而来的天然纤维素^[1]，是制备碳化细菌纤维素(CBC)的原料。传统的纤维素产业生产BC仅采用木葡糖酸醋杆菌^[2]，相对于单菌，红茶菌发酵生产细菌纤维素的效率更高。唐水佳等在实验中对比了木葡糖酸醋杆菌和红茶菌生产出的BC的红外谱图(如图1.1所示)得出了木葡糖酸杆菌产出的BC和红茶菌产出的BC无本质上的区别这个结论^[3]。因此，本文采用了红茶菌发酵的方法制取BC。

图1.1 木葡糖酸杆菌和红茶菌碳源合成BC的红外吸收谱图

红茶菌 ( 葡萄糖)A、( 甘露醇)Ｂ、( 60 %甘露醇＋40 %葡萄糖)C、( 40 %甘露醇＋60 %葡萄糖)D、木葡糖酸醋杆菌( 葡萄糖)E、( 甘露醇)F、( 60 %甘露醇＋40 %葡萄糖)G、( 40 %甘露醇＋60 %葡萄糖)H。

BC是一种凝胶状物体(图1.2)，放大看是三维网状结构，中间形成很多“孔径”(图1.3 a)，并且分子内存有大量的亲水基团。因此，BC具有良好的透气、透水和持水性能，根据外界条件的不同，它能吸收的水分是自身干重的60-700倍，未经干燥的BC持水性能值高达 1 000 %，冷冻干燥后(图1.3 b)的持水能力仍超过 600 %^[4]。

10 μm

b

a

图1.2 BC样品。 图1.3BC未干燥 (a)、干燥后(b)的SEM图。

黄莉^[5,6]等在文章中阐述了BC在食品行业中的应用。由BC直接加工成的食品具有爽滑、脆嫩、细腻的口感，并且BC食用后完全不被人体吸收，又能让人产生饱腹感，其中富含的纤维素又具有助消化、清肠胃的功能，因此作为一种新兴的保健品基料，BC在国际保健品行业广受关注。

BC在燃料电池中的作用有两个：一个作为电解质提供氢离子通道；二个作为隔膜隔离两极反应气体，防止它们直接发生作用(图1.4)。其优点在于电性能优良、经济环保、甲醇渗透率低。利用红茶菌发酵合成BC为隔膜组装双液电池，可用于电动势的测定(图1.5)。

图1.4燃料电池工作原理。 图1.5 BC隔膜燃料电池。

CBC是由BC纯化、干燥、碳化后制得的。本文中的纯化是先用去离子水反复冲洗，以去除其表面残留的培养基与杂质。然后把膜泡在NaOH 溶液中，直至BC成无色透明状，最后用水冲洗至 pH 为中性，得到实验所需BC。任泽祺等在实验中对比了直接烘干、冷冻干燥等不同干燥方法对BC结构的影响，得出了冷冻干燥BC的结构保存最完整的结论^[7,8]，因此本研究中采用了冻干的方式去除BC中的水分。最后将干燥的BC放置在800 ^oC的温度下保温碳化1 h，之后将样品研磨成粉末，得到CBC。

朱佩^[9]等在实验中证实，CBC和石蜡复合具有电磁屏蔽功能，在1200 ^oC碳化温度中，得到的碳纤维最致密、最稳定，和石蜡的复合产物屏蔽效能最优(图1.6)。温丽霞^[10]等在实验中，以CBC的结构为模板和碳源，制备的碳化硅纳米线表面光滑(图1.7)，长度达几十微米，直径为 40～80 nm，此法为碳化硅纳米线的制备提供了新的原材料。徐娟^[11]等以CBC为碳源，制备了碳化硼，此法操作简单，能准确控制硼碳比，同时并未引入其他杂质，为大规模制备碳化硼提供了一种新的碳源和思路。吴慧^[12]等将CBC和石墨烯(CCG)结合，合成CBC/CCG复合材料，通过实验证明CBC可以改善石墨烯的电化学性能，这为超级电容器的电极材料的制备提供了新的思路和途径。

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