【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微生物燃料电池，涉及一种银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极制备方法，同时涉及该水凝胶阳极作为微生物燃料电池阳极在污水处理和发电中的应用。
技术介绍
1、微生物燃料电池（mfc）是一种环保型燃料电池，电活性微生物通过将污水中可生物降解的有机物进行分解，在微生物代谢过程中进行污水处理并产生电能。在煤炭等一次能源被不断消耗的今天，这种利用微生物处理废水而代替能源产电的技术发展前景广阔。
2、mfc阳极材料与细菌直接接触，阳极材料的形貌结构以及类型都会对mfc的性能产生影响，这也就要求阳极材料需要对微生物无毒害作用、能够有利于微生物附着并且具有更低的电子转移电阻。阳极材料主要分为碳材料、金属及其氧化物和导电聚合物三类。碳材料虽然价格低廉且具有良好的导电性，但由于自身具有疏水性却不利于微生物粘附。金属材料相比于碳材料导电性明显增强，但金属材料也面临着易腐蚀、价格昂贵以及生物相容性差的问题。导电聚合物通过原位聚合等方式应用于mfc阳极，大大提高了导电性，这种材料具有生物相容性良好、性质稳定、轻巧便于加工及可控电阻率等优势。介于各种材料本身具有的优缺点，目前，大多数阳极材料以多种类型材料复合制备而成，进而大幅度提高了mfc阳极的污水处理能力以及产电性能。
3、导电聚合物水凝胶材料在mfc方面因其具有优异的导电性能，也有良好的应用前景，但水凝胶材料导电性仍较金属材料差，在水中的稳定性也难以保证。因此，本专利技术采用碳毡（cf）材料作为基底，结合金属银纳米线（ag nws）作为导电材料来大大提高mfc的产电性能，
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法及作为微生物燃料电池阳极在污水处理和发电中的应用。
2、一、pani-ppy-ag nws/ cf水凝胶阳极的制备及结构
3、本专利技术银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，是将苯胺和吡咯单体混合，冰水浴下搅拌后，加入植酸搅拌均匀，再加入异丙醇冰浴搅拌，最后加入ag nws溶液，搅拌至充分混合后放入cf，加入过硫酸铵溶液，将混合溶液3~5℃反应6~7d，用蒸馏水浸泡去除残留杂质和植酸后烘干，得到pani-ppy-ag nws/ cf水凝胶阳极；
4、其中，苯胺和吡咯单体的体积比为1:4~1:6；苯胺与植酸体积比为1:8~1:10；植酸与异丙醇体积比为1:2~1:3；吡咯单体和ag nws溶液的体积比为1:2~1:3；ag nws溶液浓度为0.5~1.5 mg/ml；cf进行无水乙醇和蒸馏水交替超声清洗后真空干燥的预处理。
5、图1（a，b）为pani-ppy-agnws/cf复合水凝胶阳极的局部sem图。sem图可以看出阳极材料中富含聚吡咯的球状颗粒（虚线框）和聚苯胺的片状结构（实线框），而且添加了agnws的水凝胶阳极呈现出一种手撕面包状的结构，这增加了阳极材料的比表面积，为微生物的增殖提供了更多的空间，也说明了ag nws掺杂在了聚苯胺和聚吡咯形成的水凝胶的之间，同碳纳米管一样起到了支撑作用。进一步证明了pani-ppy-ag nws/cf水凝胶电极具有良好的电催化性能，同时也表明了该工作电极的成功制备和在mfc中应用的可行性。
6、本专利技术的原理是：大量的球状ppy纳米颗粒和片状pani颗粒原位生长在cf纤维和ag nws表面，由于ag nws的存在，大量的三维多孔结构形成，为细菌附着提供了足够的空间，大大增加了附着的表面积。一方面细菌进入孔隙并附着在cf纳米纤维上进行电子传递。此外，细菌也与pani、ppy和ag nws形成的具有生物相容性和亲水性水凝胶层直接接触，这使得细菌可以大量富集，并且通过细菌代谢有机物产生电子，细菌产生菌毛参与直接电子传递。另一方面，细菌通过中间体的产生进行间接的电子传递，该mfc中存在的desulfovibrio通过外膜细胞色素c进行电子转移。当电子被运送到水凝胶层时，ag nws与导电聚合物协同工作，以促进细胞外电子的转移。正是由于多种导电途径的相互作用，加快了胞外电子转移，提高了发电效率。
7、二、pani-ppy-agnws/cf作为微生物燃料电池阳极的应用
8、1、微生物燃料电池（mfc）的搭建与运行
9、mfc装置采用双室结构(每个单室体积:118 ml)。阴极为cf（3 cm3），用钛丝从cf中间穿透与外部导线连接，阴极液为0.05 m 铁氰化钾和0.1 m氯化钾溶液。将制备pani-ppy-ag nws/ cf水凝胶电极作为阳极。阳极液由50 ml菌种（永登县某食品园艺区污水厂循环污泥）与68 ml营养液（4.97 g/l nah2po4·h2o；2.75 g/l na2hpo4·12h2o；0.31 g/l nh4cl；0.15 g/l cacl2；0.56 g/l (nh4)2so4；0.2 g/l mgso4；0.13 g/lkcl；0.02 g/l mnso4；0.001 g/l fecl3；2.5 g/l c6h12o6·h2o）组成。对照组阳极为未经修饰的cf电极。所有mfcs均在1000 ω的外部电阻下操作。每种阳极材料均在30 ℃下在mfc中进行了三次重复实验。
10、2、mfc的电化学表征
11、所有阳极材料电化学测试，均在chi660e电化学工作站上进行。生物阳极在阳极液中进行。eis的频率范围为1hz ~ 100 khz，幅值为50 mv。cv在-0.8 ~ 0.2 v范围内进行cv测定，扫描速率为5 mv s-1。mfc电压由数据采集器每分钟进行记录。为了获得功率密度和极化曲线，将mfc的外电阻从2000 ω降低到100 ω。通过对化学需氧量（cod）测试，来确定阳极材料的水处理性能。为了将微生物固定在阳极电极表面，将生物阳极在2.5%戊二醛溶液中4℃稳定12 h，然后分别在30%、50%、60%、80%、90%和100%乙醇溶液中脱水15 分钟。非生物阳极和生物阳极的形貌以及细菌附着程度通过扫描电镜（sem）进行了表征。
12、图2为1000ω电阻负载下的输出电流密度曲线。将外接1000 ω的mfc进行45天的长期运行来确定其每个阳极的稳定性。mfc在运行5.5h时就可以达到0.66v的最大电压输出，具有较短的启动时间。在稳定运行约15小时后，mfc的输出电压急剧下降本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，是将苯胺和吡咯单体混合，冰水浴下搅拌后，加入植酸搅拌均匀，再加入异丙醇冰浴搅拌，最后加入Ag NWs溶液，搅拌至充分混合后放入预处理后的CF，加入过硫酸铵溶液，将混合溶液3~5℃反应6~7d，用蒸馏水浸泡去除残留杂质和植酸后烘干，得到PANI-PPy-Ag NWs/ CF水凝胶阳极。
2.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，其特征在于：苯胺和吡咯单体的体积比为1:4~1:6。
3.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，其特征在于：苯胺与植酸体积比为1:8~1:10。
4.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，其特征在于：植酸与异丙醇体积比为1:2~1:3。
5.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，其特征在于：吡咯单体和Ag NWs溶液的体积比为1:2~1:3，Ag NWs溶液浓度为0.5~1.5mg/mL。
6.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，
7.根据权利要求1所述方法制备的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极作为微生物燃料电池阳极的应用。
8.据权利要求7所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极作为微生物燃料电池阳极的应用，其特征在于：银纳米线/导电聚合物水凝胶电极作为微生物燃料电池阳极用于污水处理和发电中。
...【技术特征摘要】
1.一种银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，是将苯胺和吡咯单体混合，冰水浴下搅拌后，加入植酸搅拌均匀，再加入异丙醇冰浴搅拌，最后加入ag nws溶液，搅拌至充分混合后放入预处理后的cf，加入过硫酸铵溶液，将混合溶液3~5℃反应6~7d，用蒸馏水浸泡去除残留杂质和植酸后烘干，得到pani-ppy-ag nws/ cf水凝胶阳极。
2.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，其特征在于：苯胺和吡咯单体的体积比为1:4~1:6。
3.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，其特征在于：苯胺与植酸体积比为1:8~1:10。
4.根据权利要求1所述的银纳米线/导电聚合物水凝胶阳极的制备方法，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：何晓燕，马硕，谭折平，候苗苗，马鹏改，曹润泽，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。