碳纤维电极及其制备方法、双极室生物电化学设备技术

本发明专利技术提供了一种碳纤维电极及其制备方法，利用廉价的未修饰的碳纤维作为基底电极，通过电化学工作站，利用循环伏安扫描法，将氧化石墨烯还原为石墨烯，同步修饰在未修饰的碳纤维电极表面，构建石墨烯修饰的碳纤维电极，大大提高了电极的电化学活性和电极电导率，电极欧姆内阻及电荷传递阻力大大减小。此外，将该电极用于双极室生物电化学工艺中，作为非生物阴极，使工艺装置的电荷传递阻值减小5倍以上；本发明专利技术的目的是强化生物电化学工艺去除难降解有机污染物的性能，解决现有生物电化学工艺中电极材料电阻大、导电性差、对难降解有机污染物去除速率慢、难以规模化应用等问题。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维电极及其制备方法、双极室生物电化学设备
本专利技术涉及生物电化学领域，具体涉及一种碳纤维电极及其制备方法、双极室生物电化学设备。
技术介绍
生物电化学系统(BESS)作为一种新兴的水处理工艺，吸引了越来越多人们的目光。Potter在1991年阐述了微生物可以通过物质转化产生电流的观点，但将微生物与燃料电池结合并将其用于废水处理在21世纪才逐渐展开，在这一体系中，微生物作为催化剂，将化学能转化为电能，该工艺具有以下特点：(1)低碳源电子供体需求。生物电化学工艺中，阳极微生物可高效利用水中的小分子有机物作为碳源，尤其是挥发酸(VFAS)，同时，定向驯化而成的阴极微生物以电极作为直接的电子供体，可利用无机碳实现自养化，基于这一特性，生物阴极可在不依赖有机碳的条件下转化目标物，因此，生物电化学工艺对碳源电子供体的需求量远小于传统厌氧工艺；(2)难降解有机污染物定向去除效率高。水中的难降解有机物，包括：硝基芳香烃类、偶氮类、高氯烃、芳香烃类，通常含有双键、强拉电子基团、偶氮键等，这些物质的抗性基团大多具有化学可还原性，且还原后的产物生物毒性大大降低。研究表明，这些物质在生物阴极，通过较小的能量输入和电位控制，可以发生硝酸盐还原、硝基还原、抗生素脱氯、卤代芳香烃脱卤，发色基团脱色等，进而被有效去除。随着实验室规模的研究日益成熟，生物电化学-厌氧耦合工艺研究开始进入下一个阶段——规模化和实际应用，与其它工艺的发展过程一样，这将是科研工作者面临的一大科学挑战。目前关于生物电化学-厌氧耦合工艺规模化应用的研究还未取得理想效果，澳大利亚昆士兰大学、荷兰瓦赫宁根大学，以及美国宾夕法尼亚州立大学的中试研究结果表明生物电化学设备可以规模化构建，但还存在诸多技术问题亟待解决，其中，电极载体模块本身面临的几大问题是最为关键的限制因素，特别是电极的比表面积小、电阻率低、电能损耗大、电极材料表面生物膜传质受阻等问题已成为制约其功能发挥和实际应用的瓶颈，提高BESS电极材料性能，并降低其成本是目前研究的关注热点。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于提供一种碳纤维电极及其制备方法、双极室生物电化学设备，已解决上述的至少一项技术问题。(二)技术方案本专利技术的一方面，提供了一种碳纤维电极的制备方法，包括步骤：S1、准备氧化石墨烯溶液；S2、以未修饰的碳纤维电极为工作电极，以所述氧化石墨烯溶液为电解液，构建电极体系；S3、在所述电极体系工作时进行氧化石墨烯还原，同步得到石墨烯修饰的碳纤维电极。优选地，所述氧化石墨烯溶液中包括缓冲液，所述缓冲液包括柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或者磷酸盐缓冲液。优选地，步骤S3采用循环伏安扫描法实现氧化石墨烯的还原。优选地，所述循环伏安扫描法的扫描范围为-1.6～0.6V，扫描速度为50mV/s，扫描圈数为60圈。优选地，所述未修饰的碳纤维电极呈刷子状的三维构型。本专利技术的另一专利技术，还提供了一种碳纤维电极，所述碳纤维电极的表面修饰有石墨烯，所述石墨烯为褶皱状的片层结构；所述片层结构包括单层石墨烯或功能化多层石墨烯，所述片层结构的厚度为纳米级。优选地，所述碳纤维电极为刷子状的三维构型。本专利技术的再一专利技术，还提供了一种双极室生物电化学设备，包括：阴极，为石墨烯修饰的碳纤维电极，所述碳纤维电极的表面修饰有石墨烯，所述石墨烯为褶皱状的片层结构；所述片层结构包括单层石墨烯或功能化多层石墨烯，所述片层结构的厚度为纳米级；阴极电解液，包括含有高氧化态基团的有机物。优选地，所述高氧化态基团包括硝基、卤代基和/或偶氮键。(三)有益效果本专利技术相较于现有技术具有以下优点：(1)成本低。本专利技术采用廉价的未修饰的碳纤维作为电极基底，利用循环伏安扫描法将氧化石墨烯还原修饰在电极表面，修饰速度快，成本低，且易于规模化。(2)电阻小。本专利技术制备的石墨烯修饰的碳纤维电极，大大提高了电极的电化学活性和电极电导率，电极欧姆内阻及电荷传递阻力大大减小。(3)效率高。将制备得到的电极用于双极室生物电化学工艺中，作为非生物阴极，使工艺装置的电荷传递阻值减小5倍以上，此外，在外加较小电压条件下，用该工艺处理含难降解有机污染物的工业废水，污染物的去除效率提高30％以上，去除速率加快50％。(3)性能稳定，可重复利用。本专利技术中的石墨烯修饰的碳纤维电极在连续使用12个月的过程中，一直保持稳定的效能，该电极经过清洗后可重复使用。(4)可规模化生产使用。本专利技术中的碳纤维电极基底可商业化生产，并可大规模的利用电化学还原氧化石墨烯的同时，实现同步修饰电极，因此，可作为放大规模的生物电化学工艺的一种较好的电极选择。附图说明图1为本专利技术实施例的碳纤维电极的制备流程图；图2为本专利技术实施例的电极材料和未修饰的碳纤维电极的拉曼光谱图；图3A为本专利技术实施例的电极材料的扫描电镜图；图3B为未修饰的碳纤维电极的扫描电镜图；图4A为本专利技术实施例的电极材料和未修饰的碳纤维电极的电化学特性表征的循环伏安扫描图；图4B为本专利技术实施例的电极材料和未修饰的碳纤维电极的电化学特性表征的电化学阻抗扫描；图4C为本专利技术实施例的电极材料和未修饰的碳纤维电极的电化学特性表征的线性伏安测试图；图5为本专利技术实施例的双极室生物电化学反应设备的结构示意图；图6为本专利技术实施例的电极材料和未修饰的碳纤维电极在染料去除时，浓度变化及产物的生成浓度变化图。具体实施方式目前大部分研究都选用碳基电极材料(石墨、活性炭等)，其中，利用碳纤维作为电极材料的研究最为广泛，碳纤维可被认为是迄今为止比强度和比模量最高的非金属材料，其具有多种优良性能，如低密度耐高温、抗化学腐蚀等，已成为航空航天领域不可缺少的先进复合材料的增强材料。但是，碳基电极，包括碳纤维还存在以下缺点：(i)内阻大，电导率低，这在实验室研究中并不明显，因为电极模块通常仅为几立方厘米，电流小；但在规模化设备中，电极材料的内阻和平均电流密度都随着规模的增大而增加，以平面型阳极为例，实验室采用的厘米级平板电极，工程化后就会长达数米，这意味着单一维度尺寸增加100倍，电压损失就会增加1000倍。(ii)天然碳基材料表面孔隙率低，不利于近电极表面生物膜的稳定和均匀附着，生物膜较薄时易被水力冲刷脱落，而局部过厚的生物膜将会影响有机污染物向电极表面电活性微生物的传质，导致电极生物载体的传质阻力增大，造成能量损耗和处理效率降低。因此，优化电极材料表面物理化学性质，并使生物膜合理附着，对减小放大设备中的电压损失和促进生物电化学反应至关重要。石墨烯是近年发现的碳材料的新成员，它与传统的BESS碳基材料不同，它是由sp2杂化碳原子形成的二维蜂窝状晶体，具有电阻小、比表面积大、机械强度高等特质，已经被广泛应用于超级电容器、锂离子电池等能源领域方面。近几年，生物电化学领域也掀起了利用石墨烯改进电极材料性能的热潮，目前利用石墨烯修饰的电极有：石墨烯纳米带/碳纸、石墨烯/碳布、石墨烯/不锈钢网、褶皱的石墨烯/碳布、氮掺杂石墨烯/碳布等。利用石墨烯修饰的电极材料在提高生物电化学工艺产电方面获得了很多效果，但对强化难降解有机污染物的去除方面还鲜有研究。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术实施例的一个方面，提供了一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纤维电极的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、准备氧化石墨烯溶液；S2、以未修饰的碳纤维电极为工作电极，以所述氧化石墨烯溶液为电解液，构建电极体系；S3、在所述电极体系工作时进行氧化石墨烯还原，同步得到石墨烯修饰的碳纤维电极。

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维电极的制备方法，其特征在于，包括步骤：S1、准备氧化石墨烯溶液；S2、以未修饰的碳纤维电极为工作电极，以所述氧化石墨烯溶液为电解液，构建电极体系；S3、在所述电极体系工作时进行氧化石墨烯还原，同步得到石墨烯修饰的碳纤维电极。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液中包括缓冲液，所述缓冲液包括柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液或者磷酸盐缓冲液。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3采用循环伏安扫描法实现氧化石墨烯的还原。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述循环伏安扫描法的扫描范围为-1.6～0.6V，扫描速度为50mV/s，扫描圈数为60圈。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述未...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱杰，崔丹，杨利明，崔敏华，蔡伟伟，庄绪亮，
申请(专利权)人：中国科学院生态环境研究中心，
类型：发明
国别省市：北京,11