[发明专利]一种壳聚糖-氧化石墨烯海绵、制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种壳聚糖‑氧化石墨烯海绵、制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：首先取氧化石墨烯溶液，依次向其中加入冰醋酸、FeCl₂溶液、苯亚磺酸钠溶液和壳聚糖；然后，将溶液抽真空，得到无气泡的浆液；其次，将浆液冷冻干燥；再置于NaOH溶液中浸泡，初步得到海绵体；最后将海绵体恒温加热得到壳聚糖‑氧化石墨烯海绵；通过本发明制备的壳聚糖‑氧化石墨烯海绵可用于制备可呼吸式微生物燃料电池；本发明制备方法简单，成本较低，制备的海绵具有很好的弹性，具有很丰富的空隙结构，比表面积大，具有较多的活性位点，易于微生物的附着。加入FeCl₂，可以有效防止海绵被微生物降解解体，同时形成四氧化三铁，能导电性和生物相容性。

技术领域

本发明属于高分子功能化材料制备技术领域，特别涉及一种壳聚糖-氧化石墨烯海绵、制备方法和应用。

背景技术

随着社会的迅速发展，人们生活水平的日益提升，对环境污染问题也日益加剧，严重威胁了我们赖以生存的生态环境。而传统污水处理方式不仅会需要消耗大量的能量，而且处理效果也不尽理想。微生物燃料电池就是利用厌氧微生物进行催化降解水体中的有机污染物并将其转化为电能，较好的解决了在处理污染物过程中能源消耗问题。目前应用在微生物燃料电池的阳极材料基本为碳布、石墨块、碳毡或石墨颗粒等，这些材料虽然在一定程度上提高了微生物的产电能力，但是其比表面积低和生物相容性差等因素影响了产电微生物在电极表面的生长。因此，在微生物燃料电池阳极室采用填充电极，如活性炭颗粒等，产电微生物在电极表面的附着生长量增多，但是电极内部代谢产生的电子会储存在内部结构中，无法扩散到材料表面，内部的微生物的活性也或因此而降低，从而使电池的产电能力大幅度减弱。可呼吸式的微生物燃料电池通过阳极的“呼”的过程排出内部产生的电子及代谢产物，通过“吸”的过程将新的电解液吸进填充阳极材料的内部。

壳聚糖是一种生物相容性好，且不会造成二次污染的天然高分子化合物，是地球上仅次于纤维丝的第二大可再生资源，来源广泛。良好的生物相容性可以很好的促进微生物在其表面的生长，但是在微生物燃料电池的研究中，只是将少量壳聚糖掺杂在石墨烯或者其他材料中进行改性修饰，并未出现过将壳聚糖制作成海绵作为电极材料的实例。石墨烯良好的导电性弥补了壳聚糖电导率比较低的缺陷。另外，壳聚糖海绵或者壳聚糖凝胶在含有微生物的溶液中长期存在，容易发生壳聚糖体系的解体破裂。

发明内容

为了解决现有技术的不足和缺点，本发明的目的是提供一种壳聚糖-氧化石墨烯海绵、制备方法和应用。本发明制备了壳聚糖-氧化石墨烯海绵，并通过FeCl₂在石墨烯表面原位生长Fe₃O₄，不仅增加了海绵的导电性，也有效防止了壳聚糖体系被微生物解体破裂。

本发明的技术方案具体介绍如下。

一种壳聚糖-氧化石墨烯海绵的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)将2～8mg/mL的氧化石墨悬浊液用超声清洗机超声，获得氧化石墨烯溶液；取80～150mL氧化石墨烯溶液，向其中逐滴滴加2～6mL冰醋酸，并混合均匀，得到混合溶液；

(2)向步骤(1)得到的混合溶液中逐滴加入0.08～0.12mol/L的FeCl₂溶液0.1～50mL；

(3)向步骤(2)得到的溶液中逐滴加入0.8～1.2mol/L的苯亚磺酸钠溶液2～10mL；

(4)向步骤(3)得到的溶液中，加入2～10g壳聚糖搅拌均匀；

(5)将步骤(4)得到的溶液抽真空，去除溶液中的气泡，得到无气泡的浆液；

(6)将步骤(5)中的浆液注入相应的模具中，并放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥；

(7)将步骤(6)中的冷冻干燥后样品置于NaOH溶液中浸泡，初步得到海绵体；