[實用新型]一種表面鈦／氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極

有效

• 申請號: 201520961029.6
• 申請日: 2015-11-28
• 公開（公告）號: CN205231175U
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 曾麗
• 申請（專利權）人: 成都九十度工業產品設計有限公司
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88;H01M2/10;H01M8/16
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 吳彥峰

技術領域

本實用新型涉及一種電極，特別是一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極。

背景技術

隨著世界人口數的持續增加，人類日益受到能源資源不足以及環境惡化的影響， 因此開發新能源得到廣泛的重視，而利用可再生的生物質能發電是一種有效的手段。微生 物燃料電池(Microbialfuelcells，MFC)作為一種利用微生物代謝產生電能的新方法，近 年來受到更多人們的關注。它是一種利用微生物作為催化劑將化學能轉變為電能的裝置， 微生物可以代謝有機物質，同時產生電能。但是，現有的微生物燃料電池普遍具有產電量低 的缺點；同時現有技術中的陽極表面積一般較小，不利于微生物的大量附著，且催化效能適 用面窄；現有技術中多采用鉑作為陰極催化劑，雖然催化效果好，但是過于昂貴。

實用新型內容

本實用新型的實用新型目的在于：針對上述存在的問題，提供一種電極表面活化 面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，從而提 高電量產量，并降低生產成本的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極。

本實用新型采用的技術方案如下：

本實用新型的一種表面鈦／氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，通過以下步驟制備而 成：

步驟一：按濃硫酸：石墨粉：硝酸鈉質量比65:1：0.6在冰浴的條件下向濃硫酸中加 入石墨粉和硝酸鈉，攪拌溶解30min后，按照石墨粉：高錳酸鉀質量比1:5，向混合溶液中加 入高錳酸鉀，攪拌10h后，按照濃硫酸：去離子水體積比1：1向混合溶液中加入去離子水，將 混合物置于真空度為0.93的條件下，按照1.2℃/h的速率緩慢升溫至52℃，保持52℃恒溫繼 續攪拌22h后，按照濃硫酸比雙氧水體積比1:0.1向混合溶液中加入雙氧水，在52℃溫度下 攪拌2.5h后離心，將固液分離取固體，固體分別用5%的稀鹽酸和去離子水沖洗，干燥后得到 氧化石墨烯；

步驟二：用去離子水將氧化石墨烯配置成濃度為1.3mg/mL的溶液，按照質量比8:1 向溶液中加入四氮化三鈦，在室溫超聲2h后，微波反應100W的條件下反應10min后，將混合 溶液置于聚四氟乙烯內襯的熱反應釜中，充入氬氣作為保護氣后密封，抽真空達到真空度 0.8，升溫至180℃反應36h，在氬氣保護氣存在下冷卻至常溫，制得表面鈦／氮摻雜介孔石墨 烯氣凝膠。

由于采用了上述技術方案，三維石墨烯導電性好，生物相容性高，容易形成三維多 孔的氣凝膠結構，鈦／氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有親水性表面，降低了氧化石墨烯表面疏 水性，電解液更容易浸潤，導電性較好，提高了其在陽極電解液中的反應活性面積。

本實用新型的一種表面鈦／氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，所述表面鈦／氮摻雜介 孔石墨烯氣凝膠電極具有三維網狀多孔結構，孔徑大小為9μm。

由于采用了上述技術方案，電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的 靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好；三維網狀結構不會出現崩解現象；孔徑大小為9 μm，適合細菌進入。

本實用新型的一種表面鈦／氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，該電極應用于基于對 氧化三甲胺介質的微生物燃料電池的方法，所述基于對氧化三甲胺介質的微生物燃料電池 包括設置在外殼內的反應器和設置在外殼外的電池正極和電池負極，所述電池正極的底部 連接于反應器的一端；所述電池負極的底部連接于反應器的另一端；所述反應器包括密封 殼和設置在密封殼內的陽極和陰極，所述陽極和陰極表面附著有微生物，所述陽極與陰極 之間設有離子交換膜，所述陽極與電池正極相連，所述陰極與電池負極相連，所述密封殼內 充滿介質；所述外殼與密封殼之間充滿填充介質；所述陽極為表面鈦／氮摻雜介孔石墨烯氣 凝膠，所述陰極為VO₂/S-AC泡沫鎳空氣陰極；所述微生物為腐敗希瓦氏菌，所述介質為對氧 化三甲胺。

由于采用了上述技術方案，離子交換膜將反應器分隔成為陽極室和陰極室，在陽 極室厭氧環境下，氧化三甲胺腐敗希瓦氏菌的作用下，降解產生三甲胺，進而生成二甲胺和 甲醛等，陰極室中的氧氣在陰極的催化作用下，得到電子被還原與質子結合成水，反應器產 生電能，通過連接電池正極和電池負極即可形成回路，將反應器產生的電能釋放。