一种rGO/CuS复合材料的制备方法及其在光助微生物燃料电池阴极的应用技术

本发明专利技术属于微生物燃料电池领域，特别涉及一种rGO/CuS复合材料的制备方法及其在光助微生物燃料电池阴极的应用，本发明专利技术采用一锅法，通过改变GO加入量以调节CuS和rGO的比例，获得具有不同带隙值的rGO/CuS复合材料；该复合材料中，三维花状CuS颗粒较均匀的分散在rGO片层上；将其应用于光助微生物燃料电池阴极，功率密度输出显著提高。

Preparation of rGO/CuS Composite and Its Application in Photomicrobial Fuel Cell Cathode

【技术实现步骤摘要】
一种rGO/CuS复合材料的制备方法及其在光助微生物燃料电池阴极的应用
本专利技术属于微生物燃料电池领域，特别涉及一种rGO/CuS复合材料的制备方法及其在光助微生物燃料电池阴极的应用。
技术介绍
环境污染和能源短缺是当今社会面临的两大问题，发展绿色无污染的能源成为人们普遍关注的热点。而微生物燃料电池具有能够同时处理污水并产生电能的特点，有望成为未来能源领域的主流能源形式之一。实验室常用的微生物燃料电池构型是双室型，主要由阴极室、阳极室和质子交换膜构成。目前限制微生物燃料电池实际应用的主要因素是功率输出密度偏低，从双室型微生物燃料电池的构造可知阴极还原反应速率是主要影响因素之一。电催化剂常用于加快阴极还原反应的速率，但只能将单一化学能更多的转化为电能输出。
技术实现思路
本专利技术解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种rGO/CuS(石墨烯/硫化铜)复合材料的制备方法及其在光助微生物燃料电池阴极的应用。为解决上述问题，本专利技术的技术方案如下：一种rGO/CuS复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将GO(氧化石墨烯)溶解在水中，超声分散，加入无水CuCl2，得到溶液①；(2)将PEG(聚乙二醇)加入水中，制得溶液②，硫脲溶解于水中，得到溶液③；(3)将溶液①加入到②中，得到溶液④；(4)将溶液③加入到溶液④中，得到溶液⑤；(5)将溶液⑤放入反应釜中，置于170℃烘箱中，反应5～24h，制得rGO/CuS复合材料。优选地，所述步骤(1)中，GO溶解前先研磨成粉末，研磨时间为15min。优选地，所述步骤(1)中，每15ml水中，GO加入量为0.0518g～0.2018g，无水CuCl2加入量为0.4035g。优选地，所述步骤(2)中，每15ml水中，PEG加入量为1.2～2.0g。优选地，所述步骤(2)中，每15ml水中，硫脲加入量为0.4566g。优选地，所述步骤(4)中，溶液⑤中GO、CuCl2、PEG、硫脲、水的质量比为0.0518g～0.2018:0.4035:1.2～2.0:0.4566:45。优选地，所述步骤(4)中，溶液③加入到溶液④中的滴加速度为1ml/20s，搅拌1.0h。上述rGO/CuS复合材料可用于光助微生物燃料电池阴极。一种光助微生物燃料电池的构建方法，包括以下步骤：步骤1，将所述rGO/CuS复合材料滴涂到碳纸基底，制备工作电极；步骤2，将所述工作电极组装到微生物燃料电池阴极；所述微生物燃料电池采用双室结构，用质子交换膜隔开，将配制的铁氰化钾缓冲液和阳极微生物生长液分别装入对应的阴、阳极室进行培养。优选地，所述步骤1中，rGO/CuS复合材料浓度为18mg/ml。优选地，所述步骤1中，制备工作电极的具体方法为：所述rGO/CuS复合材料滴涂到碳纸基底后，在40℃真空烘箱中，烘干12.0h，然后在170℃烘箱中固化15～30min。优选地，所述光助微生物燃料电池的性能输出通过LSV测试电池的极化曲线计算得到。相对于现有技术，本专利技术的优点如下，利用本专利技术的方法，可制备得到rGO/CuS复合材料，该复合材料由于rGO的加入可以避免CuS中光生电子和光生空穴的复合，增加整体的导电性；另外通过调节rGO的含量，可以调节CuS的带隙大小，可以扩大CuS对光的利用范围，同时也为宽带隙半导体物质在可将光范围内的应用提供了一个方法。本专利技术的rGO/CuS复合材料构建的光助微生物燃料电池相比于CP构建的传统微生物燃料电池功率密度提高了42.1％，比单纯的CuS提高了9.5％。附图说明图1为纯CuS和rGO/CuS复合物的固体紫外光吸收图；图2为纯CuS和rGO/CuS复合物的(Ahv)^2-hv图；图3不同GO加入量得到的rGO/CuS复合物的黑暗电流值和光照后电流增加值图；图4为实施例1制备的rGO/CuS复合物的SEM图；图5实施例2rGO/CuS复合物的XRD图；图6实施例5rGO/CuS复合物的SEM图；图7实施例6rGO/CuS复合物的SEM图；图8对比例2rGO/CuS复合物的XRD图；图9实施例2为工作电极构建的光助型微生物燃料电池光照的功率密度对比图。具体实施方式实施例1：rGO/CuS复合材料的合成：(1)将0.0518gGO研磨成粉末状，将其溶解在15ml水中，超声40min，加入无水0.4035gCuCl2,搅拌15min，得到溶液①；(2)1.2gPEG-6000加入到15ml水中，搅拌15min，得到溶液②；(3)0.4566g硫脲溶解于15ml水中，搅拌15min，得到溶液③；(4)将溶液①缓慢加入到②中，搅拌20min，得到溶液④；(5)将溶液③缓慢加入到溶液④中，滴加速度为1ml/20s,搅拌1.0h，得到溶液⑤；(6)将溶液⑤放入反应釜中，置于170℃烘箱中，反应17.0h；(7)将反应结束的产物用乙醇和二次水交替洗涤4次，在40℃真空干燥烘箱24.0h，得到黑色粉末状rGO/CuS。如图1a的固体紫外吸收峰位置为682.4nm，图2a计算得到的带隙值为1.39eV。(8)将得到的rGO/CuS复合物制备成电极，利用线性扫描伏安法测试黑暗时电流值和光照后电流增加值，如图3b为光照后-0.002V下的电流增加值为0.00225A。图4是rGO/CuS复合材料的SEM图，该复合材料中，三维花状CuS颗粒较均匀的分散在rGO片层上。实施例2：rGO/CuS复合材料的合成：(1)将0.1018gGO研磨成粉末状，将其溶解在15ml水中，超声40min，加入无水0.4035gCuCl2,搅拌15min，得到溶液①；(2)1.2gPEG-6000加入到15ml水中，搅拌15min，得到溶液②；(3)0.4566g硫脲溶解于15ml水中，搅拌15min，得到溶液③；(4)将溶液①缓慢加入到②中，搅拌20min，得到溶液④；(5)将溶液③缓慢加入到溶液④中，滴加速度为1ml/20s,搅拌1.0h，得到溶液⑤；(6)将溶液⑤放入反应釜中，置于170℃烘箱中，反应17.0h；(7)将反应结束的产物用乙醇和二次水交替洗涤4次，在40℃真空干燥烘箱24.0h，得到黑色粉末状rGO/CuS。如图1b的固体紫外吸收峰位置为644.6nm，图2b计算得到的带隙值为1.51eV。如图5a为rGO/CuS的XRD衍射峰，rGO/CuS的CuS特征衍射峰依然存在，并且出现rGO的特征衍射峰A。(8)将得到的rGO/CuS复合物制备成电极，利用线性扫描伏安法测试黑暗时电流值和光照后电流增加值，如图3c为光照后-0.002V下的电流增加值是0.00407A。实施例3：rGO/CuS复合材料的合成：(1)将0.1518gGO研磨成粉末状，将其溶解在15ml水中，超声40min，加入无水0.4035gCuCl2,搅拌15min，得到溶液①，(2)1.2gPEG-6000加入到15ml水中，搅拌15min，得到溶液②，(3)0.4566g硫脲溶解于15ml水中，搅拌15min，得到溶液③，(4)将溶液①缓慢加入到②中，搅拌20min，得到溶液④，(5)将溶液③缓慢加入到溶液④中，滴加速度为1ml/20s,搅拌1.0h，得到溶液⑤。(6)将溶液⑤放入反应釜中，置于170℃烘箱中，反应17.0h；(7)将反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种rGO/CuS复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将GO溶解在水中，超声分散，加入无水CuCl2，得到溶液①；(2)将PEG加入水中，制得溶液②，硫脲溶解于水中，得到溶液③；(3)将溶液①加入到②中，得到溶液④；(4)将溶液③加入到溶液④中，得到溶液⑤；(5)将溶液⑤放入反应釜中，置于170℃烘箱中，反应5～24h，制得rGO/CuS复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种rGO/CuS复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将GO溶解在水中，超声分散，加入无水CuCl2，得到溶液①；(2)将PEG加入水中，制得溶液②，硫脲溶解于水中，得到溶液③；(3)将溶液①加入到②中，得到溶液④；(4)将溶液③加入到溶液④中，得到溶液⑤；(5)将溶液⑤放入反应釜中，置于170℃烘箱中，反应5～24h，制得rGO/CuS复合材料。2.如权利要求1所述的rGO/CuS复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，GO溶解前先研磨成粉末，研磨时间为15min。3.如权利要求1所述的rGO/CuS复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，每15ml水中，GO加入量为0.0518g～0.2018g，无水CuCl2加入量为0.4035g。4.如权利要求1所述的rGO/CuS复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，每15ml水中，PEG加入量为1.2～2.0g。5.如权利要求1所述的rGO/CuS复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，每15ml水中，硫脲加入量为0.4...

【专利技术属性】
技术研发人员：张剑荣，于雪艳，郭丹，宋荣斌，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32