本發(fā)明屬于新能源材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯/核黃素復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
燃料電池可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)具有轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、噪音小、無污染等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛關(guān)注。在影響能量轉(zhuǎn)換的諸多因素中，陰極上的氧氣還原反應(yīng)成為主導(dǎo)因素，其中的電子傳遞效率直接影響了電池的整體性能。為了促進(jìn)氧氣還原反應(yīng)過程和電子傳遞速率，附加催化劑成為研究者重點(diǎn)關(guān)注的手段。近年來，石墨烯因其在能量轉(zhuǎn)換和電子傳遞中的獨(dú)特作用而得到廣泛關(guān)注，為了進(jìn)一步提高石墨烯的導(dǎo)電性能和耐久性，研究者們做出了諸多努力。很多研究者通過在石墨烯中摻雜非金屬雜原子（如n，s，p等）來調(diào)諧它的導(dǎo)電性能，也有研究者通過將石墨烯與其他物質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，制備復(fù)合材料（如co3o4/石墨烯復(fù)合材料和co3o4/石墨烯復(fù)合材料）來提高石墨烯的電化學(xué)性能。然而，目前的復(fù)合材料或者摻雜材料面臨著制作成本高和制備工藝復(fù)雜的缺陷，這限制了它的廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用。另外需要注意的是，復(fù)合材料的生物相容性是確定其是否可以應(yīng)用于微生物燃料電池的關(guān)鍵因素。因此，找到更合適的物質(zhì)與石墨烯結(jié)合形成復(fù)合物是提高電子傳遞的關(guān)鍵。
近年來研究發(fā)現(xiàn)，一些有機(jī)分子作為氧化還原反應(yīng)的介體對(duì)各種有機(jī)和無機(jī)污染物的氧化還原去除起到催化作用。其中，核黃素（又稱維生素b2）作為氧化還原介質(zhì)，引起了研究者的廣泛關(guān)注，逐步應(yīng)用于燃料電池產(chǎn)電和污染物的去除過程中。但是，核黃素的可溶性使其不能保留在反應(yīng)器中，需要持續(xù)加入，這大大提高了反應(yīng)的成本，限制了核黃素的進(jìn)一步應(yīng)用。
鑒于石墨烯原材料的導(dǎo)電性能和核黃素的可溶性，如果能將兩種材料復(fù)合在一起，形成一種非金屬的復(fù)合材料，這即提高了石墨烯的電化學(xué)性能與生物相容性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)核黃素的固定。該復(fù)合材料預(yù)期將具有比兩者單獨(dú)更加優(yōu)異的性能，可進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于為提高石墨烯的電化學(xué)性能和生物相容性并解決核黃素的固定化問題而提供一種石墨烯/核黃素復(fù)合材料的制備方法。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種石墨烯/核黃素復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：
（1）將核黃素加入到n,n-二甲基乙酰胺中，加熱后得到黃色溶液；
（2）向步驟（1）得到的黃色溶液中加入羧基化石墨烯和濃鹽酸，水浴加熱后得到第一混合物；核黃素與羧基化石墨烯的質(zhì)量比為1:1～2:1，濃鹽酸的濃度為12mol/l，濃鹽酸與n,n-二甲基乙酰胺的體積比為0.4:100；
（3）將步驟（2）得到的第一混合物放入微波反應(yīng)器中，進(jìn)行微波催化反應(yīng)，得到第二混合物；微波催化反應(yīng)的反應(yīng)溫度為80℃～150℃，反應(yīng)時(shí)間為20min±2min，反應(yīng)功率為500w～900w；
（4）將步驟（3）得到的第二混合物進(jìn)行超聲處理；
（5）將步驟（4）處理后的第二混合物用n,n-二甲基乙酰胺和去離子水沖洗多次，真空干燥后獲得石墨烯/核黃素復(fù)合材料。
本發(fā)明中，所述步驟（1）中，加熱溫度為60℃±5℃。
本發(fā)明中，所述步驟（2）中，水浴加熱的溫度為80℃±5℃，時(shí)間為2h±0.2h。
本發(fā)明中，所述步驟（3）中，微波催化反應(yīng)的反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為20min，反應(yīng)功率為700w。
本發(fā)明中，所述步驟（4）中，超聲處理的時(shí)間為1.5h±0.15h，超聲條件為低頻。
本發(fā)明中，所述步驟（5）中，真空干燥的溫度為60℃±5℃，時(shí)間為48h±2h，相對(duì)真空度為0.05mpa～0.07mpa。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明制備的石墨烯/核黃素復(fù)合材料電化學(xué)性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍廣，可用在燃料電池、污染物的氧化還原去除等領(lǐng)域。本發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、周期短、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可以試用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯/核黃素復(fù)合材料。
本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。
實(shí)施例1
本實(shí)施例中石墨烯/核黃素復(fù)合材料的制備方法是由下述步驟完成：
（1）將300mg核黃素加入到100ml的n,n-二甲基乙酰胺中，加熱到60℃，得到黃色溶液；
（2）向步驟（1）得到的黃色溶液中加入150mg羧基化石墨烯，核黃素與羧基化石墨烯的質(zhì)量比為2:1，加入0.4ml濃鹽酸（濃度為12mol/l），80℃水浴加熱2h，得到第一混合物；
（3）將步驟（2）得到的第一混合物放入微波反應(yīng)器中，進(jìn)行微波催化反應(yīng)，微波催化反應(yīng)的反應(yīng)溫度為為120℃，反應(yīng)時(shí)間為20min，反應(yīng)功率為700w，得到第二混合物；
（4）將步驟（3）得到的第二混合物進(jìn)行超聲處理，低頻條件下超聲處理1.5h
（5）將步驟（4）超聲處理后的第二混合物用n,n-二甲基乙酰胺和去離子水反復(fù)沖洗，在相對(duì)真空度為0.05mpa～0.07mpa、溫度為60℃下真空干燥48h后，即可獲得石墨烯/核黃素復(fù)合材料。
所制備的石墨烯/核黃素復(fù)合材料的促進(jìn)電子傳遞性能測(cè)試?yán)脝问椅⑸锶剂想姵匕聪率霾襟E進(jìn)行：將15ml的產(chǎn)電微生物菌液從空氣陰極單室mfc進(jìn)口處加入，分別以上述實(shí)施例制備的石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極和石墨烯催化電極作為燃料電池的陰極；將燃料電池接入1000歐姆的空氣陰極單室mfc外電路，開始記錄產(chǎn)電過程，待最高電壓輸出穩(wěn)定之后進(jìn)行燃料電池的性能測(cè)試。以石墨烯催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.42v和650mw/m2，以石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.46v和810mw/m2。
實(shí)施例2
本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是：步驟（2）加入200mg羧基化石墨烯，核黃素與羧基化石墨烯的質(zhì)量比為1.5:1。其他步驟和參數(shù)與實(shí)施例1相同。此實(shí)施例所述條件下以石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.51v和1100mw/m2。
實(shí)施例3
本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是：步驟（2）加入300mg羧基化石墨烯，核黃素與羧基化石墨烯的質(zhì)量比為1:1。其他步驟和參數(shù)與實(shí)施例1相同。此實(shí)施例所述條件下以石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.48v和930mw/m2。
實(shí)施例4
本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是：步驟（3）微波催化反應(yīng)的溫度為80℃。其他步驟和參數(shù)與實(shí)施例1相同。此實(shí)施例所述條件下以石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.43v和695mw/m2。
實(shí)施例5
本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是：步驟（3）微波催化反應(yīng)的溫度為150℃。其他步驟和參數(shù)與實(shí)施例1相同。此實(shí)施例所述條件下以石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.44v和730mw/m2。
實(shí)施例6
本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是：步驟（3）微波催化反應(yīng)的功率為500w。其他步驟和參數(shù)與實(shí)施例1相同。此實(shí)施例所述條件下以石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.43v和705mw/m2。
實(shí)施例7
本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是：步驟（3）微波催化反應(yīng)的功率為900w。其他步驟和參數(shù)與實(shí)施例1相同。此實(shí)施例所述條件下以石墨烯/核黃素復(fù)合材料催化電極作為陰極的mfc得到的最高輸出電壓和最大輸出功率分別為0.45v和780mw/m2。
在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。
上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。