一种生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料及其制备方法，属于能源材料领域。其具体是以苯胺为单体、过硫酸铵为氧化剂、聚乙烯醇的盐酸水溶液为水相溶剂，甲苯为有机相溶剂，经界面聚合制得导电聚苯胺，再通过还原反应将导电聚苯胺与还原氧化石墨烯复合形成网络结构，然后将其加入到海藻酸钠/琼脂的混合溶液中，再将泡沫镍浸入其中均匀覆膜，最后经交联得到所述生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料。本发明专利技术利用海藻酸钠的生物相容性与聚苯胺、还原氧化石墨烯的导电性，制备的复合阳极材料具有生物相容性好、电化学性能优异以及生产成本低的特点，可广泛应用于制备微生物燃料电池阳极。备微生物燃料电池阳极。备微生物燃料电池阳极。

【技术实现步骤摘要】
一种生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于能源材料领域，涉及微生物燃料电池阳极材料，具体涉及一种生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]微生物燃料电池（MFC）是一种新型的环保能源技术，它利用细菌将生物质能转换为电能且不产生其他废弃物，是一种融合了微生物学、材料学、电化学、力学等众多学科的一种新技术。传统的微生物燃料电池一般由阳极及阳极室、阴极及阴极室、质子交换膜组成，其中，阳极是微生物消耗有机底物的主要场所，而且阳极上的微生物是MFC产电的主要贡献来源，阳极材料的成本及其能否规模化生产决定了MFC能否走向市场。
[0003]MFC阳极材料的基本要求是生物相容性好、导电性强、比表面积大。常用的阳极材料是碳棒、碳布等碳材料。碳材料具有导电性好、价格便宜、能为微生物的生长提供合适场所等优点，但极易失去电子表现出还原性，且发生电子跃迁时需要消耗大量的能量。金属材料虽有比碳材料更好的导电性，但易腐蚀。聚苯胺等导电聚合物具有良好的导电性、高能量密度、原料易得、合成简单、环境友好等诸多优点，既可作为导电基质又可作为活性物质，以其修饰改性阳极材料越来越受到人们的关注。当前，设计合成性能优越的生物相容性复合阳极是发展MFC的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出以泡沫镍为电子集流体，海藻酸钠为基底，琼脂为粘结剂，聚苯胺与还原氧化石墨烯共同作为导电填料，制备一种生物相容性复合阳极材料，并将其用作微生物燃料电池阳极。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料，其是以苯胺为单体、过硫酸铵为氧化剂、聚乙烯醇的盐酸水溶液为水相溶剂，甲苯为有机相溶剂，经界面聚合制得导电聚苯胺，再通过还原反应将导电聚苯胺与还原氧化石墨烯复合形成网络结构，然后将其加入到海藻酸钠/琼脂的混合溶液中，再将泡沫镍浸入其中均匀覆膜，最后经交联得到生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料；其制备步骤如下：（1）聚苯胺（PANI）的合成：将0.01mol苯胺加入到20ml甲苯中，冰水浴搅拌20min；将2g质量浓度为10%的聚乙烯醇（PVA）水溶液加入到90ml 1mol/L的盐酸溶液中；在冰水浴中将含聚乙烯醇的盐酸溶液与含苯胺的甲苯溶液剧烈搅拌混合；在室温下，将0.01mol过硫酸铵溶解于10ml水中，再将其滴加到上述混合液中，然后静置反应4~24h，最后将反应产物用去离子水、无水乙醇冲洗，抽滤，50℃真空干燥，即得到聚苯胺；（2）聚苯胺/还原氧化石墨烯复合材料的制备：按PANI与氧化石墨烯的质量比为2:1~5:1，将0.06g氧化石墨烯（GO）与一定量PANI混合，加入20ml水，超声分散均匀；然后按与氧化石墨烯的质量比为1:1加入一定量抗坏血酸搅拌均匀，然后在90℃下还原反应6~8h（优
选为8h）；反应结束后将产物取出，真空干燥并研磨成粉末，得到聚苯胺/还原氧化石墨烯复合材料；（3）复合电极材料的制备：将0.6g海藻酸钠和0.3~0.5g琼脂分别加入10ml水中完全溶解，再将琼脂溶液加入到海藻酸钠溶液中，然后加入制备好的聚苯胺/还原氧化石墨烯复合材料，搅拌均匀后静置去除气泡，随后将泡沫镍浸入其中均匀覆膜，冷却后浸入质量浓度为2%的氯化钙溶液中交联1~2h，得到生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料。
[0006]为了制备具有高电化学性能以及生物相容性的微生物燃料电池复合阳极材料，本专利技术提出首先合成导电聚苯胺，然后引入氧化石墨烯，在将氧化石墨烯还原的同时，使聚苯胺与还原氧化石墨烯复合形成网络结构，然后将聚苯胺/还原氧化石墨烯加入到海藻酸钠/琼脂混合溶液中，并将泡沫镍浸入其中均匀覆膜，最后交联得到生物相容性复合阳极材料。
[0007]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：（1）本专利技术采用来源广泛、绿色、生物相容性良好的海藻酸钠为基底，在提高复合阳极材料电化学性能的同时，有利于微生物的吸附与生长。
[0008]（2）本专利技术通过分子间作用力将聚苯胺与还原氧化石墨烯复合在一起形成网络结构，不仅可以解决还原氧化石墨烯的团聚问题，还可以改善单一组分的导电性和电荷储存能力，有利于电子的传递。
[0009]（3）本专利技术采用界面聚合得到的聚苯胺形态为火山石状多孔结构，与普通化学氧化聚合所得到的颗粒无序聚集状相比，其尺寸更为均匀，且无明显团聚现象，在与还原氧化石墨烯的复合中二者接触更为充分，有利于降低阳极电荷转移电阻。
[0010]（4）本专利技术采用琼脂作为粘结剂来替代传统方法所使用的Nafion溶液，极大降低了阳极成本，同时避免了泡沫金属做阳极时所需的辊压过程，简化了阳极制作流程。
[0011]（5）本专利技术制备的生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料为黑色水凝胶，具有优秀的电化学性能，为高性能MFC复合阳极材料的制备提供了一种新的思路。
附图说明
[0012]图1为实施例1界面聚合所得聚苯胺的扫描电镜图；图2为对比例1化学氧化聚合所得聚苯胺的扫描电镜图；图3为实施例1所制备生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料的扫描电镜图。
[0013]图4为对比例1所制备生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料的扫描电镜图；图5为利用实施例1、实施例3、实施例4、对比例1、对比例2所得复合阳极材料制备的微生物燃料电池的功率密度曲线。
具体实施方式
[0014]为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。
[0015]实施例1（1）将0.01mol苯胺加入到20ml甲苯中，冰水浴搅拌20min；将2g质量浓度为10%的聚乙烯醇（PVA）水溶液加入到90ml 1mol/L的盐酸溶液中；在冰水浴中将含聚乙烯醇的盐酸溶液与含苯胺的甲苯溶液剧烈搅拌混合；在室温下，将0.01mol过硫酸铵溶解于10ml水中并
滴入到上述混合液中（滴加时间为1h），滴加完后静置24h，然后使用去离子水、无水乙醇冲洗、真空抽滤、50℃真空干燥，即可得到聚苯胺。
[0016]（2）取干燥后的聚苯胺0.12g，氧化石墨烯0.06g，加入20ml水，超声分散均匀；加入抗坏血酸0.06g，搅拌均匀，在90℃水热还原8h；反应结束后将复合材料取出，40℃真空干燥并研磨成粉末，得到聚苯胺/还原氧化石墨烯复合材料。
[0017]（3）将0.6g海藻酸钠加入到10ml水中并在55℃下溶解，将0.4g琼脂加入到10ml水中并在100℃下溶解，待琼脂温度降低到55℃后，将其加入到海藻酸钠溶液中，搅拌均匀后加入制备好的聚苯胺/还原氧化石墨烯导电材料，搅拌均匀后静置20min去除气泡，再将泡沫镍浸入其中均匀覆膜，冷却后浸入质量浓度为2%的氯化钙溶液中交联1h，得到复合阳极材料。
[0018]对比例1（1）将0.01mol苯胺加入到40ml 2mol/L的HCl溶液中，冰水浴搅拌20min；在冰水浴中将10ml 1mo本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物相容性微生物燃料电池复合阳极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）聚苯胺的合成：将0.01mol苯胺加入到20ml甲苯中，冰水浴搅拌20min；将2g质量浓度为10%的聚乙烯醇水溶液加入到90ml 1mol/L的盐酸溶液中；在冰水浴中将含聚乙烯醇的盐酸溶液与含苯胺的甲苯溶液剧烈搅拌混合；在室温下，将0.01mol过硫酸铵溶解于10ml水中，再将其滴加到上述混合液中，然后静置反应，最后将反应产物用去离子水、无水乙醇冲洗，抽滤，干燥，即得到聚苯胺；（2）聚苯胺/还原氧化石墨烯复合材料的制备：将0.06g氧化石墨烯与一定量聚苯胺混合，加入20ml水，超声分散均匀；加入一定量抗坏血酸搅拌均匀，然后在90℃下还原反应一定时间；反应结束后将产物取出，真空干燥并研磨成粉末，得到聚苯胺/还原氧化石墨烯复合材料；（3）复合电极材料的制备：将0.6g海藻酸钠和0.3~0.5g琼脂分别加入10ml水中完全溶解，再将琼脂溶液加入到海藻酸钠溶液中，然后加入制备好的聚苯...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓，朱鹏城，张卫英，逄述博，陈兰兰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：