一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备和加速生物阳极驯化的方法技术

一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备和加速生物阳极驯化的方法，它涉及电极制备及生物阳极驯化的方法。它是要解决现有生物电化学阳极电子传递效率差的技术问题。本发明专利技术的石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法：将氧化石墨烯负载到碳布上，然后浸入硼氢化钠溶液中还原，再将负载石墨烯的碳布浸入苯胺单体溶液中，滴入固化剂溶液进行聚合，得到石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料。将该石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料做为生物电化学系统反应器中的阳极，启动后运行至输出电位稳定后，完成驯化。本发明专利技术的电极材料可用于废水处理中。

Preparation of graphene polyaniline modified carbon cloth electrode material and method for accelerating biological anode domestication

The invention relates to a preparation method of graphene polyaniline modified carbon cloth electrode material and a method for accelerating biological anode domestication, which relates to electrode preparation and biological anode domestication method. The utility model aims to solve the technical problem of the poor electron transmission efficiency of the existing biological electrochemical anode. The invention discloses a method for preparing graphene polyaniline modified carbon cloth electrode material: graphene oxide was loaded onto the carbon cloth, and then dipped into a solution of sodium borohydride reduction, carbon cloth into the aniline monomer solution and then the load of graphene, drip curing agent solution polymerization, graphene polyaniline modified carbon cloth electrode material. The graphite polyaniline modified carbon cloth electrode material is used as the anode in the biological electrochemical system reactor, and after starting and running to the output potential, the device is completed and tamed. The electrode material of the present invention can be used in wastewater treatment.

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备和加速生物阳极驯化的方法
本专利技术涉及电极制备及生物阳极驯化的方法。技术背景生物电化学系统(BESs)利用微生物催化不同电化学反应，是将废物或废水中能量转化为电能等多种产品的发展前景广阔的新技术。目前BESs应用范围广泛，如小分子合成(产氢产甲烷等)和难降解有机/无机污染物修复。随着研究工作的不断深入和拓展，传统的BESs的电极由于其电阻大，电子传递效率低，同时也存在比表面积小、亲水性差的情况，使得微生物不容易附着于电极，从而难以形成生物膜，直接影响到电极电子传递效率，制约其广泛应用。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有生物电化学阳极电子传递效率差的技术问题，提供一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法和加速生物阳极驯化的方法。本专利技术的石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，按以下步骤进行：一、将氧化石墨烯加入水中，再置于超声波清洗仪中的冰水浴中超声处理2～3小时得到氧化石墨烯浆液；二、将亲水碳布用丙酮浸泡清洗，然后再用蒸馏水清洗，干燥，得到洁净碳布；再将该洁净碳布分散于十二烷基硫酸钠水溶液中，超声处理2～2.5小时后，加入步骤一得到的氧化石墨烯浆液，混合液体继续超声处理0.5～1小时；三、将碳布从混合液体中取出，置于抽滤皿中，然后将混合液体滴到碳布上，至碳布上、下两表面均负载氧化石墨烯，其中每平方厘米碳布表面的负载量为0.4～0.5mg；然后后用去离子水洗净表面残留的试剂，置于空气中干燥；四、将负载氧化石墨烯的碳布浸入硼氢化钠(NaBH4)溶液中浸泡进行还原，然后用去离子水将材料冲洗干净，置于真空干燥箱中干燥，得到负载石墨烯的碳布；五、按过硫酸铵的浓度为20～25mmol/L、高氯酸(HClO4)的浓度为1～1.2mol/L配制固化剂溶液；并将固化剂溶液降温至0～5℃；按苯胺的浓度为30～35mmol/L、高氯酸(HClO4)的浓度为1～1.5mol/L配制单体溶液；六、将单体溶液置于0～5℃冰水浴中，再将负载石墨烯的碳布浸于单体溶液中，加入无水乙醇防止溶液冻住并通入N2保护，搅拌条件下，逐滴加入预冷的固化剂溶液进行聚合，直到固化剂和单体溶液的体积比为3：7，7～10小时后，取出碳布，用去离子水清洗，真空干燥，得到石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料。利用上述的石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料做为阳极加速生物阳极驯化的方法，按以下步骤进行：一、生物电化学系统反应器的搭建：该生物电化学系统反应器由槽体、阳离子交换膜、碳刷电极、石墨烯聚苯胺修饰碳布电极、饱和甘汞电极组成，其中阳离子交换膜将槽体1分隔成阴极室和阳极室，碳刷电极置于阴极室中，石墨烯聚苯胺修饰碳布电极置于阳极室一端，饱和甘汞电极插入阳极室内；碳刷电极与石墨烯聚苯胺修饰碳布电极通过电阻连接形成一个闭合回路，第一电压测试装置监测电阻两端输出电位V1，用于计算可得系统电流值，第二电压测试装置与石墨烯聚苯胺修饰碳布电极和饱和甘汞电极相连，监测阳极的电位V2，数据记录仪记录第一电压测试装置和第二电压测试装置检测到的电位V1和V2；二、生物电化学系统反应器的启动：将100mM的铁氰化钾溶液加入到阴极室内；取污水厂二沉池污泥，按照污泥与厌氧培养液的体积比为1：(10～15)将厌氧培养液和污泥混合均匀加入到阳极室内，曝氮气15～20分钟；第一监测电压测试装置和第二电压测试装置的电位变化并由数据记录仪记录；三、生物电化学系统反应器的运行：观察系统两个输出电压的变化，当系统输出电位V1低于0.05V时更换阳极室内物质，更换后阳极室内物质是由污泥与厌氧培养液按体积比为1：(5～10)混合而成，连续更换阳极室内物质两次后不再更换，直到观察到系统输出电位V1和V2呈现稳定变化趋势时，生物阳极驯化完成。本专利技术是一种利用生物电化学系统(BES)通过增加电极比表面积和强化电极表面微生物相容性从而加速生物阳极驯化的方法。本专利技术利用石墨烯的表面性质增强电极的比表面积同时降低电极电阻，从而很大程度上增强电极电子传递效率，聚苯胺的加入为电极表面增加大量N元素，增强电极表面亲水性，由于微生物自带负离子，电极表面的N形成的正离子很容易吸附微生物，使得电极表面微生物亲和能力大大增强。本专利技术的石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料具有较大的比表面积的同时又有良好的生物相容性，有助于附着更多的电容微生物，而材料较高的导电性有助于减小电极的过电势，从而减小电荷转移阻力。生物电化学系统中采用该电极之后能加速阳极驯化过程，形成稳定的生物膜。电极的制备过程不易掺杂杂质，加工容易。附图说明图1具体实施方式七所述的生物电化学系统反应器结构示意图；其中1为槽体，2为阳离子交换膜，3为碳刷电极，4为石墨烯聚苯胺修饰碳布电极，5为饱和甘汞电极，6为电阻，7为第一电压测试装置，8为第二电压测试装置，9为数据记录仪；图2为试验1制备的墨烯聚苯胺修饰碳布电极与碳布电极在扫速为1mV/s条件下循环伏安曲线图；图3为石墨烯聚苯胺修饰碳布电极的生物电化学系统运行期间的电流和电位变化图；图4为碳布电极的生物电化学系统运行期间的电流和电位变化图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式的石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，按以下步骤进行：一、将氧化石墨烯加入水中，再置于超声波清洗仪中的冰水浴中超声处理2～3小时得到氧化石墨烯浆液；二、将亲水碳布用丙酮浸泡清洗，然后再用蒸馏水清洗，干燥，得到洁净碳布；再将该洁净碳布分散于十二烷基硫酸钠水溶液中，超声处理2～2.5小时后，加入步骤一得到的氧化石墨烯浆液，混合液继续超声处理0.5～1小时；三、将碳布从混合液体中取出，置于抽滤皿中，然后将混合液体滴到碳布上，至碳布上、下两表面均负载氧化石墨烯，其中每平方厘米碳布表面的负载量为0.4～0.5mg；然后后用去离子水洗净表面残留的试剂，置于空气中干燥；四、将负载氧化石墨烯的碳布浸入硼氢化钠(NaBH4)溶液中浸泡进行还原，然后用去离子水将材料冲洗干净，置于真空干燥箱中干燥，得到负载石墨烯的碳布；五、按过硫酸铵的浓度为2～2.5mmol/L、高氯酸(HClO4)的浓度为1～1.2mol/L配制固化剂溶液；并将固化剂溶液降温至0～5℃；按苯胺的浓度为30～35mmol/L、高氯酸(HClO4)的浓度为1～1.2mol/L配制单体溶液；六、将单体溶液置于0～5℃冰水浴中，再将负载石墨烯的碳布浸于单体溶液中，加入无水乙醇防止溶液冻住并通入N2保护，搅拌条件下，逐滴加入预冷的固化剂溶液进行聚合，7～10小时后，取出碳布，用去离子水清洗，真空干燥，得到石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中浆液中氧化石墨烯的浓度为1～2g/L；其它与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤二中十二烷基硫酸钠水溶液的浓度为10～15g/L；其它与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤四中硼氢化钠(NaBH4)溶液的浓度为1.5～2.0mM，浸泡还原的时间为2～5小时；其它与具体实施方式一至三之一相同。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤四中真空干燥的温度为40～50℃，干燥时间为8～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、将氧化石墨烯加入水中，再置于超声波清洗仪中的冰水浴中超声处理2～3小时得到氧化石墨烯浆液；二、将亲水碳布用丙酮浸泡清洗，然后再用蒸馏水清洗，干燥，得到洁净碳布；再将该洁净碳布分散于十二烷基硫酸钠水溶液中，超声处理2～2.5小时后，加入步骤一得到的氧化石墨烯浆液，混合液体继续超声处理0.5～1小时；三、将碳布从混合液体中取出，置于抽滤皿中，然后将混合液体滴到碳布上，至碳布上、下两表面均负载氧化石墨烯，其中每平方厘米碳布表面的负载量为0.4～0.5mg；然后用去离子水洗净表面残留的试剂，置于空气中干燥；四、将负载氧化石墨烯的碳布浸入硼氢化钠溶液中浸泡进行还原，然后用去离子水将材料冲洗干净，置于真空干燥箱中干燥，得到负载石墨烯的碳布；五、按过硫酸铵的浓度为2～2.5mmol/L、高氯酸的浓度为1～1.2mol/L配制固化剂溶液；并将固化剂溶液降温至0～5℃；按苯胺的浓度为30～35mmol/L、高氯酸的浓度为1～1.2mol/L配制单体溶液；六、将单体溶液置于0～5℃冰水浴中，再将负载石墨烯的碳布浸于单体溶液中，加入无水乙醇防止溶液冻住并通入N...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、将氧化石墨烯加入水中，再置于超声波清洗仪中的冰水浴中超声处理2～3小时得到氧化石墨烯浆液；二、将亲水碳布用丙酮浸泡清洗，然后再用蒸馏水清洗，干燥，得到洁净碳布；再将该洁净碳布分散于十二烷基硫酸钠水溶液中，超声处理2～2.5小时后，加入步骤一得到的氧化石墨烯浆液，混合液体继续超声处理0.5～1小时；三、将碳布从混合液体中取出，置于抽滤皿中，然后将混合液体滴到碳布上，至碳布上、下两表面均负载氧化石墨烯，其中每平方厘米碳布表面的负载量为0.4～0.5mg；然后用去离子水洗净表面残留的试剂，置于空气中干燥；四、将负载氧化石墨烯的碳布浸入硼氢化钠溶液中浸泡进行还原，然后用去离子水将材料冲洗干净，置于真空干燥箱中干燥，得到负载石墨烯的碳布；五、按过硫酸铵的浓度为2～2.5mmol/L、高氯酸的浓度为1～1.2mol/L配制固化剂溶液；并将固化剂溶液降温至0～5℃；按苯胺的浓度为30～35mmol/L、高氯酸的浓度为1～1.2mol/L配制单体溶液；六、将单体溶液置于0～5℃冰水浴中，再将负载石墨烯的碳布浸于单体溶液中，加入无水乙醇防止溶液冻住并通入N2保护，搅拌条件下，逐滴加入预冷的固化剂溶液进行聚合，7～10小时后，取出碳布，用去离子水清洗，真空干燥，得到石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，其特征在于步骤一中浆液中氧化石墨烯的浓度为1～2g/L。3.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，其特征在于步骤二中十二烷基硫酸钠水溶液的浓度为10～15g/L。4.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，其特征在于步骤四中硼氢化钠溶液的浓度为1.5～2.0mM，浸泡还原的时间为2～5小时。5.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，其特征在于步骤四中真空干燥的温度为40～50℃，干燥时间为8～10小时。6.根据权利要求1或2所述的一种石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料的制备方法，其特征在于步骤六中真空干燥是在40～50℃条件下真空干燥6～8小时。7.利用权利要求1所述的石墨烯聚苯胺修饰碳布电极材料做为阳极加速生物阳极驯化的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：一、生物电化学系统反应器的搭建：该生物电化学系统反应器由槽体(1)、阳离子交换膜(2)、碳刷电极(3)、石墨烯聚苯胺修饰碳布电极(4)、饱和甘汞电极(5)组成，其中阳离子交换膜(2)将槽体(1)分隔成阴极室(1-1)和阳极室(1-2)，碳刷电极(3)置于阴极室(1-1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王爱杰，林小秋，李智灵，姚正，朱颖颖，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23