[發明專利]石墨烯/基底電極和聚苯胺-石墨烯/基底電極的制備及應用

無效

• 申請號: 201210246340.3
• 申請日: 2012-07-16
• 公開（公告）號: CN102760888A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: 劉中良;侯俊先
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01M4/88
• 分類號: H01M4/88
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術領域

本發明屬于電極技術領域，具體涉及石墨烯/基底電極、聚苯胺-石墨烯/基底電極的制備方法以及在微生物燃料電池中的應用，為電極的表面修飾提供了一種全新的、有效的思路。

背景技術

人類正面臨著巨大的能源與環境壓力，能源是人類社會經濟發展的重要物質基礎，是生產力發展的動力源泉。我們面臨的最大環境挑戰是要同時解決能量產出和CO₂釋放的問題，我們必須開發一個全新的平臺，在確保產出足夠能量的同時降低CO₂的釋放。因此解決能源與氣候的最好辦法是將大量的投資應用于可再生能源的研究和發展上。

微生物燃料電池（microbial?fuel?cell，簡稱MFC）是一種在凈化污水的同時產生電能的新技術，它是利用微生物將生物質轉化為電能的裝置。在污水處理、微生物傳感器、海水淡化、電解制氫等方面具有巨大的應用潛力。然而，輸出功率密度低限制微生物燃料電池在實際中的應用。近年來，對微生物燃料電池的研究集中在構型的改進、運行條件優化、微生物產電機理探討、新型電極材料等。開發高性能的陽極材料對提高微生物燃料電池的功率輸出至關重要。好的陽極材料要求具有良好的導電性，生物相容性和大的比表面積等。

傳統的微生物燃料電池的電極材料包括碳布、碳氈、碳紙、不銹鋼網、泡沫鎳等。然而普通碳材料表面的電催化活性以及電子傳遞能力都較差，微生物細菌代謝過程產生的電子要躍遷到普通碳材料電極上需要消耗較高的能量，造成較大的陽極活化過電勢。為了減少陽極活化過電勢，進一步改善電池陽極的產電性能，必需對普通碳材料電極的表面進行處理或者修飾。隨著材料科學的發展，納米材料已被應用于微生物燃料電池的陽極的修飾，并且顯著的提高了微生物燃料電池的功率輸出。例如，碳納米管、氧化釕、聚合物以及碳納米管與聚合物的合成材料等

石墨烯是僅由一層碳原子構成的石墨薄片，具有高比表面積（理論值為2630m²/g）、優異的導電性、高機械強度、電催化活性等受到各領域的廣泛關注，例如在傳感器、鋰離子電池、太陽能電池、超級電容器等方面的應用研究，都大大提高了其性能。聚苯胺是一種具有親水性的導電聚合物，具有良好的生物相容性，有利于細菌的吸附和生物的形成。

與常用的氧化還原制備石墨烯的方法相比，電化學還原制備石墨烯的方法具有成本較低，制備工藝簡單，方便快捷，綠色無污染等特點。此技術用于電極的表面修飾具有廣闊的應用前景。目前，利用電化學還原方法制備石墨烯同時聯合聚苯胺修飾電極應用于微生物燃料電池中還未見報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種電極表面的修飾方法，并應用于微生物燃料電池中，從而減低電極的活化損失，增加微生物燃料電池的功率輸出。此方法具有工藝簡單，方便快捷且綠色無污染等特點，為微生物燃料電池電極的表面修飾提供了一種全新的思路。

為了解決以上問題，本發明通過以下技術方案來實現：

利用電化學還原法制備石墨烯/基底電極的方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）氧化石墨烯水溶液超聲獲得均勻穩定分散的氧化石墨烯水溶液；

（2）將上述石墨烯水溶液均勻滴涂到基底電極上，自然干燥，得到氧化石墨烯/基底電極；

（3）采用三電極系統，利用循環伏安法還原氧化石墨烯/基底電極從而獲得石墨烯/基底電極；自然晾干。

上述的循環伏安法還原為常規的方法，采用三電極系統，優選采用掃描電壓變化范圍為0V到-1.6V，掃描圈數為5圈，掃描速度為5mV/s，還原過程如圖1所示。第一圈掃描時，氧化石墨烯/基底電極在-1.5V產生了一個還原電流峰，在接下來的幾圈掃描中，還原峰消失，表明石墨烯在基底表面上成功生成。

聚苯胺-石墨烯/基底電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

（1）氧化石墨烯水溶液超聲獲得均勻穩定分散的氧化石墨烯水溶液；

（2）將上述石墨烯水溶液均勻滴涂到基底電極上，自然干燥，得到氧化石墨烯/基底電極；

（3）采用三電極系統，利用循環伏安法還原氧化石墨烯/基底電極從而獲得石墨烯/基底電極；自然晾干；

（4）采用常規的導電聚苯胺制作方法，將苯胺溶于鹽酸中，快速加入已備好的過硫酸銨溶于鹽酸的溶液，攪拌，過夜，即得到聚苯胺溶液；

（5）對上述步驟（4）溶液過濾，用去離子水洗滌直至濾液中性為止；置于60℃的真空干燥箱干燥，即得到聚苯胺粉末；

（6）將干燥后的聚苯胺溶液溶于水，超聲得到穩定分散的聚苯氨水溶液；濃度優選1mg/mL;