[发明专利]微生物燃料电池用石墨烯/导电聚合物阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，具体是一种微生物燃料电池用石墨烯/导电聚合物阳极的制备方法。

背景技术

微生物燃料电池（microbial fuel cell,简称MFC），是以微生物为催化剂将可生物利用有机质中化学能直接转化为电能的燃料电池系统，以其清洁环保、可再生等优点，逐渐成为新兴能源领域和环境领域的研究热点。但MFC的产电功率比燃料电池要低，其主要原因一方面受限于产电细菌向阳极传递电子的能力不强，另一方面由于MFC系统中的电阻损失较大。而阳极的材料与结构直接影响到微生物的附着、电子传递以及底物的氧化。因此，寻求导电性良好的高电化学活性阳极是目前所要考察的一个重要方向。碳基材料，如碳纸，碳布、碳毡、泡沫碳，由于具有良好的稳定性、高的导电性以及高比表面，被广泛用作阳极基材。针对阳极电极性能的提高，研究者们做出了大量工作，电极的选型主要分为三大类，一是使用复合电极材料，如CNT/PANI（碳纳米管/聚苯胺）复合阳极，使得阳极特性面积与电荷传输能力得到提高，大幅度地改善了MFC阳极反应的电化学活性；二是对修饰改性的电极材料，如使用Mn⁴⁺修饰的阳极石墨阳极，利用氨气处理修饰碳纸阳极，通过修饰二甲基苯胺、氨处理、加热等方式改变电极N/C比含量等；三是纳米电极材料，如以碳纳米管合成MFC阳极，在石墨电极上修饰纳米的Au和Pd颗粒等。但是这些方法大多处理成本较高，工艺步骤较为复杂，大大提高了电极的制作成本。因此，开发一种高效，低成本的阳极，对微生物燃料电池的制作以及其产业化应用的扩展具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有微生物燃料电池产电效率低的不足，提供一种复合石墨烯微生物燃料电池阳极的制备方法，本发明通过电化学方法在碳基电极上电沉积聚吡咯/电化学还原石墨烯氧化物复合膜，制备得到一种新型电极。

本发明实现目的所采用的技术方案包括：

一种微生物燃料电池用石墨烯/导电聚合物阳极的制备方法，包括如下步骤： 

（1）将石墨烯氧化物溶于去离子水中，制得浓度为1~15 mg·mL^-1的石墨烯氧化物水悬浮溶液，再将导电聚合物单体加入到石墨烯氧化物水悬浮溶液中制得混合液，导电聚合物单体在混合液中的浓度为0.1~0.5 mol·L^-1，在室温下磁力搅拌5~30 min后，并超声5~30 min，制得混合电解液；

（2）利用电化学工作站，采用三电极体系，以预处理的碳基材料作为工作电极，以铂电极作为对电极，以饱和甘汞电极或饱和氯化银电极作为参比电极，将三电极置于所述混合电解液中，采用恒电压电镀法，设置电位为0.5~1 V，电镀量为5~120 C，将导电聚合物单体和石墨烯氧化物电化学聚合沉积在阳极表面，然后用去离子水清洗，室温晾干，得到导电聚合物/石墨烯氧化物修饰阳极；

（3）利用电化学工作站，采用三电极体系，以（2）中制备得到的导电聚合物/石墨烯氧化物修饰阳极作为工作电极，以铂电极作为对电极，以饱和甘汞电极或饱和氯化银电极作为参比电极，将三电极置于0.1~1 mol·L^-1电解液中，采用循环伏安法，设置还原电位为-1.0~0 V,扫速为5 mV/s,还原圈数为10~20圈，将导电聚合物/石墨烯氧化物修饰阳极还原为导电聚合物/电化学还原石墨烯氧化物修饰阳极，用去离子水清洗，室温晾干，即制得微生物燃料电池用石墨烯/导电聚合物阳极。

上述制备中，步骤（1）中所述导电聚合物单体包括吡咯、苯胺或噻吩。

上述制备中，步骤（2）中所述预处理是将碳基材料在去离子水和30% H₂O₂水溶液中在90 ℃下各加热2 h。

上述制备中，步骤（3）中所述电解液包括硫酸钠水溶液或高氯酸钠水溶液。

上述制备中，步骤（2）所述碳基材料包括碳毡或石墨毡。

本发明通过电化学方法在碳基电极上电沉积聚吡咯/电化学还原石墨烯氧化物复合膜，制备得到一种新型电极，与传统化学方法相比，本发明的优势更加环保、快捷，成本低，易于实现产业化，所得电极具有很好的生物兼容稳定性和电化学活性，能显著提高的微生物燃料电池的产电性能。

附图说明

图1为本发明电池阳极的制作过程示意图；

图2为本发明电池阳极在电池中的位置及整个电池的结构示意图；

图3为本发明实施例1的输出功率密度曲线图；