【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备及作为微生物燃料电池阳极的应用，该水凝胶电极有利于改进微生物燃料电池发电，属于微生物燃料电池领域。
技术介绍
1、微生物燃料电池(mfcs)利用电活性微生物代谢有机污染物，从而产电，以可持续和经济高效的方式将能源生产和废水处理结合起来。mfcs具有工作条件温和、无污染、清洁、节能、经济等优点。然而，其相对较低的功率密度和较差的长期稳定性导致mfcs的输出功率低，限制了mfcs的大规模应用。阳极是mfcs中的重要组成部分，为细菌生长提供必要的表面积，并影响功率和电流输出。
2、阳极材料的设计仍然是提高mfcs性能的一个挑战。理想的阳极材料应具有良好的电化学性能、较大的比表面积和良好的生物相容性，与其他常用的阳极材料(如金属、金属氧化物、导电聚合物，以及复合材料)相比，碳基材料易于获得，有商业选择、良好的导电性和生物相容性而被广泛应用于mfcs。然而，碳基材料作为mfc阳极因导电性能不佳和生物膜粘附力弱受到显著的限制。为了解决这些问题，研究者们正致力于对碳基材料进行改性，以增强细菌的粘附性和细胞外电子转移的效率，从而提高mfcs的发电性能。碳布由于其良好的导电性、重量轻、化学稳定性、高孔隙率和柔韧性被用于基底材料，二维(2d)材料mxene具有亲水性、高比表面积和优异的导电性，然而，mxenes往往会堆积，影响他们的性能。
3、水凝胶是一种具有三维结构和交联聚合物网络的亲水性凝胶，具有较大的比表面积和良好的细菌亲和性，因此，水凝胶在mfc领域具有相当大的应用
4、羧甲基纤维素(cmc)是从世界上最丰富的生物质材料之一中获得的。作为自然界中最丰富的生物质来源，纤维素也被认为是制备电极的理想材料。cmc具有独特的结构和优异的化学稳定性，易溶于水，环境友好，具有良好的生物相容性和柔韧性。此外，cmc含有大量的羟基和羧基，可作为吡咯单体原位氧化聚合的载体底物。这些特性使cmc成为提高聚吡咯电化学性能的理想候选材料，在聚合过程中会导致比电容的提高和循环稳定性的改善。此外，cmc能有效地防止ppy在长期充放电过程中的体积畸变，从而可以提高电极材料的循环性能。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法及作为微生物燃料电池阳极的应用，本专利技术中的微生物燃料电池具有良好的导电性、生物相容性、较大的比表面积以及粗糙的电极表面有利于微生物的附着，促进生物膜的形成和提高微生物燃料电池的功率密度，将为mfc能源生产提供一种经济的途径。
2、一、杂化水凝胶ppy-cmc-mxene/cc的制备及结构
3、本专利技术中杂化水凝胶ppy-cmc-mxene/cc的制备步骤为：将吡咯单体、异丙醇和植酸混合均匀，然后加入mxene用超声波分散混合均匀，得到a溶液；将过硫酸铵和羧甲基纤维素溶解于蒸馏水中，得到b溶液；将预处理后的碳布（cc）浸泡在a溶液中，并与b溶液在0~4℃冰浴中混合后，进行风干待溶液完全糊化，在蒸馏水和异丙醇中浸泡去除残留的植酸和无机盐，得到生物质衍生杂化水凝胶电极ppy-cmc-mxene/cc。
4、其中，吡咯单体与异丙醇的体积比为1:2~1:3。吡咯单体与植酸体积比为1:2~1:3。mxene与吡咯单体的质量体积比为0.1~0.2 g/ml。羧甲基纤维素与mxene的质量比为1:1~1:2。羧甲基纤维素与过硫酸铵的质量比为1:40~1:45。碳布预处理是将碳布依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声处理，以消除表面杂质并增强其亲水性，然后进行干燥。
5、图1为cc电极(a: 3000×, b: 5000×, c: 1000×)，ppy-cmc-mxene/cc电极(d:3000×, e: 5000×, f:10000×)的sem图像。利用扫描电镜(sem)研究了阳极材料(cc电极、ppy-cmc-mxene/cc电极)的形态特性，cc电极的三个不同放大倍数的sem如图1(a)-(c)所示，cc电极表面光滑。ppy-cmc-mxene/cc电极的三个不同放大倍数的sem如图1(d)-(f)所示，ppy-cmc-mxene/cc电极表面变得粗糙，ppy-cmc-mxene/cc杂化水凝胶形成的三维多孔结构增加了阳极的有效面积，增强了阳极表面与电解液之间的充分接触，从而承受更大的电荷负荷，加速了eet过程。
6、二、ppy-cmc-mxene/cc作为微生物燃料电池阳极的应用
7、1、微生物燃料电池的构造
8、（1）质子交换膜的预处理：首先将nafion n117膜在80℃、5wt%的h2o2水溶液中煮1h，以去除膜内的有机杂质，其次用去离子水反复冲洗膜，将其浸泡在80℃的去离子水中煮1h，以完全除去残留的h2o2，再次将膜浸泡于80℃，1.0moll-1的h2so4溶液中煮1h，通过离子交换将膜转为h+型，最后用去离子水反复冲洗膜，将其浸泡在80℃的去离子水中热处理1h，以完全除去膜内残留的h2so4，备用。
9、（2）mfc的搭建与运行
10、mfc装置由一个250毫升单室有机玻璃制成的双室反应器组成。在反应室之间放置质子交换膜(pem, nafion 117, dupont co., usa)，并用橡胶垫片增加摩擦。最后，夹紧装置以防止mfc泄漏。使用前，所有材料在121℃高压灭菌器(dgs-280b+型)中灭菌30分钟。阳极为ppy-cmc-mxene/cc，对照组阳极为未经修饰的cc电极；cc为阴极，电极面积为1×1cm2。在阳极室中加入含碳源(2.5 g/l葡萄糖a.r.烟台双双化工有限公司)的阳极营养液后，加入接种菌(永登县某食品园区污水处理厂循环污泥)。阴极溶液为50mm氰化钾溶液，并用纯氮吹扫阳极室15分钟，保持厌氧环境。组装的mfc在30℃的恒定温度下连接外部电阻1000 ω运行。mfc输出电压通过多数据记录仪(tp77o)每隔一分钟记录一次。
11、2、mfc的电化学表征
12、为了得到功率密度和极化曲线，将mfc的外阻从9000 ω降低到100 ω。在电化学工作站(chi660e)上通过循环伏安法(cv)和电化学阻抗谱(eis)测试评价了阳极的电化学性能。试验前更换营养液和正极液，开路4h。所有电化学测量均在三电极系统中进行，工作电极为所制备的阳极材料，参比电极和反电极分别为饱和甘汞电极(sce)和阴极电极。电解液为阳极溶液，cv测试在-0.8 v和+0.2 v之间以50 mv s-1扫描速率进行。在开路电位(ocp)下进行电化学阻抗谱(eis)，振幅为5 mv，频率范围为0.01 hz ~ 100 khz。
13、图2为mf本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，是将吡咯单体、异丙醇和植酸混合均匀，然后加入MXene用超声波分散混合均匀，得到A溶液；将过硫酸铵和羧甲基纤维素溶解于蒸馏水中，得到B溶液；将预处理后的碳布浸泡在A溶液中，并与B溶液在0-4℃冰浴中混合后，进行风干待溶液完全糊化，在蒸馏水和异丙醇中浸泡去除残留的植酸和无机盐，得到生物质衍生杂化水凝胶电极PPy-CMC-MXene/CC。
2.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：吡咯单体与异丙醇的体积比为1:2~1:3。
3.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：吡咯单体与植酸体积比为1:2~1:3。
4.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：MXene与吡咯单体的质量体积比为0.1~0.2 g/mL。
5.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：羧甲基纤维素与MXene的质量比为1:1~1:2。
6.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水
7.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：碳布预处理是将碳布依次置于丙酮、乙醇和去离子水中超声处理，以消除表面杂质并增强其亲水性，然后进行干燥。
8.根据权利要求1所述方法制备的杂化水凝胶电极作为微生物燃料电池阳极的应用。
9.根据权利要求8所述的杂化水凝胶电极作为微生物燃料电池阳极的应用，其特征在于：杂化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】
1.一种基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，是将吡咯单体、异丙醇和植酸混合均匀，然后加入mxene用超声波分散混合均匀，得到a溶液；将过硫酸铵和羧甲基纤维素溶解于蒸馏水中，得到b溶液；将预处理后的碳布浸泡在a溶液中，并与b溶液在0-4℃冰浴中混合后，进行风干待溶液完全糊化，在蒸馏水和异丙醇中浸泡去除残留的植酸和无机盐，得到生物质衍生杂化水凝胶电极ppy-cmc-mxene/cc。
2.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：吡咯单体与异丙醇的体积比为1:2~1:3。
3.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：吡咯单体与植酸体积比为1:2~1:3。
4.根据权利要求1所述的基于生物质衍生杂化水凝胶电极的制备方法，其特征在于：mxene与吡咯单体...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢小泉，谭折平，何晓燕，候苗苗，马硕，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：
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