一種石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨稀-鉬納米粒子-聚啦略復(fù)合材料的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]微生物燃料電池(MFC)作為近幾年興起的新的研宄方向，涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的交叉，如電化學(xué)、化學(xué)工程、微生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。作為一種新型的能量轉(zhuǎn)化裝置，與傳統(tǒng)的燃料電池相比，它具有燃料來源廣泛，操作條件溫和，綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)。微生物燃料電池不僅可以以糖類為燃料進(jìn)行發(fā)電，而且還能夠從廢水、污泥中提取能量，變廢為寶，在處理廢物的同時，還可以獲取綠色的電能。影響生物燃料的電池輸出功率有多因素，如菌株的種類，離子交換膜，離子強(qiáng)度，緩沖溶液，電極材質(zhì)等。在這些因素中，其中一個重要的因素就是電極材料。特別是陽極材料及其結(jié)構(gòu)，可以直接影響細(xì)菌附著，電子轉(zhuǎn)移和底物氧化。
[0003]陽極電極材料對微生物燃料電池系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在:(I)其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，不僅可直接影響微生物細(xì)胞與電極的有效接觸距離，還會影響有效向電極傳遞電子的微生物細(xì)胞的數(shù)量，從而影響微生物燃料電池系統(tǒng)中電子轉(zhuǎn)移的效果；(2)電極阻值也是影響功率輸出的一個重要因素，因此在選擇電極材料時，高導(dǎo)電率仍是需要考查的重要問題之一；
[3]陽極的材質(zhì)是決定陽極電位的重要因素，陽極電位決定了胞內(nèi)電子最終的氧化還原電勢，從而決定著微生物的代謝途徑。低維碳納米材料由于具有特定的孔隙結(jié)構(gòu)、極高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性、很大的比表面積、很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性、極強(qiáng)的導(dǎo)電性以及獨(dú)特的低維納米尺度，成為了電極材料的新寵，是制備新型的納米器件和高性能復(fù)合材料的理想材料，已在能量存儲等領(lǐng)域獲得廣泛研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是要提供一種光合微生物燃料電池陽極材料的制備方法及應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明的石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯復(fù)合材料的制備方法的具體步驟如下:
[0007](I)將每0.01-0.1mol鹽酸、氯鉑酸加入到50mL水溶液中；
[0008](2)將石墨烯超聲分散在步驟(I)的溶液中，記為溶液M ;
[0009](3)將每0.01-0.1mol吡咯、HCl加入到50mL水溶液中，記為溶液N ；
[0010](4)將步驟(3)的溶液N緩慢地向步驟⑵的溶液M中滴加，并用磁力攪拌器對進(jìn)行攪拌；
[0011 ](5)滴加完成后，再讓溶液反應(yīng)2小時，過濾、洗滌、干燥，得到本發(fā)明的石墨烯-鉑納米粒子-聚啦略復(fù)合材料。
[0012]步驟(I)中，鹽酸和氯鉑酸的摩爾比為10:1。
[0013]步驟(2)中，石墨烯的添加量為每50ml步驟(I)的溶液添加0.1-0.5g。
[0014]步驟(3)中，吡咯與HCl的摩爾比為1:1。
[0015]本發(fā)明的方法制備的石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯復(fù)合材料在制備光合生物燃料電池中的應(yīng)用。
[0016]所述應(yīng)用的具體方法如下:
[0017](A)稱取1-1OOmg的石墨稀-鉬納米粒子_聚卩比略粉末，將其加入lwt% Naf1n的乙醇溶液，超聲分散Ih;
[0018](B)裁取一塊碳紙，用導(dǎo)線連接到外電路，導(dǎo)線和碳紙連接部分涂上環(huán)氧樹脂，防止銅在電解液中溶解產(chǎn)生電流；
[0019](C)將分散有石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯粉末的Iwt% Naf1n的乙醇溶液涂附在碳紙電極上，在空氣中干燥，待溶劑揮發(fā)完后，用去離子水沖洗；
[0020](D)將修飾后的電極放入電池槽中作為陽極，分別在陰極室和陽極室中注入室溶液，并于陽極室中加入微生物菌體，制成微生物燃料電池。
[0021]本發(fā)明采用石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯作為微生物燃料電池的陽極材料，有效提高了電池的輸出功率，其輸出功率最大提高了 4倍。
[0022]本發(fā)明的工作原理是:
[0023]酸性氯鉑酸溶液具有較強(qiáng)的氧化性，可以在溶液中和吡咯反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)Pt納米粒子和聚吡咯的共沉積。而且石墨烯、聚吡咯、Pt納米粒子有良好的導(dǎo)電性，可以改善復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。
[0024]采用石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯作為微生物燃料電池的陽極材料，復(fù)合材料具有較大的比表面積，可以有效地與細(xì)菌直接實(shí)現(xiàn)快速的電子傳遞，而且Pt納米粒子具有良好的催化性能，進(jìn)一步提高了電極的活性。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0026]1.采用一步法合成了石墨稀-鉬納米粒子-聚P比略納米復(fù)合材料，制備工藝簡單。
[0027]2.應(yīng)用效果好:所采用的催化劑比表面積大，導(dǎo)電性能好且具有良好的生物相容性，提尚了電子傳遞效率；
[0028]3.制備工藝簡單，產(chǎn)品性能穩(wěn)定:所制備的催化劑制備簡單，適合大批量的制備，而且后處理工藝簡單；
[0029]4.簡化了電池制備程序，同時降低了制備成本。本發(fā)明光合生物燃料電池可以在溫和的條件下利用微生物菌把貯存在生物質(zhì)內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，而且清潔高效無污染。
[0030]5.本發(fā)明采用的細(xì)菌為光合菌，不需要電子媒介體，不需要補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)，可以只在光照的作用下發(fā)電。
【附圖說明】
[0031]圖1為光合生物燃料電池的組裝示意圖。
[0032]圖2為以石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯納米復(fù)合材料為陽極的光合生物燃料電池放電曲線。從圖中可以看出，修飾了復(fù)合材料后，所制備的生物燃料的功率大幅提高，和未經(jīng)修飾的電極相比，電池的輸出功率提高了近4倍。
【具體實(shí)施方式】
[0033]實(shí)施例1
[0034]I)細(xì)菌的培養(yǎng)
[0035]a)取水池中的光合菌進(jìn)行馴化，培養(yǎng)液采用BG-11，具體組成為1.5g/L NaNO3, 0.04g/L K2HPO4, 0.075g/L MgSO4.7H20, 0.036g/L CaCl2, 0.0Olg/L EDTA,微量元素:2.86g/L H3BO3, 1.81g/L MnCl2.4H20, 0.222g/L ZnSO4.7H20, 0.39g/LNaMoO4.2H20, 0.079g/L CuSO4.5H20 0.0494g/L Co (NO3) 2.6H20, pH 7.1。
[0036]b)將所采集的光合菌搖勻，分散到培養(yǎng)液中，用白熾燈進(jìn)行連續(xù)照射10天。
[0037]2)質(zhì)子交換膜的處理:
[0038]a)將質(zhì)子交換膜依次在3% H2O2, 二次蒸餾水，0.5mol/L H2SO4溶液，二次蒸餾水中處理I小時，處理溫度是85°C ；
[0039]b)處理后的質(zhì)子交換膜放在去離子水中備用。
[0040]3)碳紙電極的制備
[0041]a)根據(jù)需要面積的大小，裁取兩塊碳紙4.5mg/cm2，碳紙電極的幾何表面積為2 X 3cm2，將碳紙電極放在無水乙醇中浸泡兩分鐘，之后用去離子水沖洗；
[0042]b)在碳紙上負(fù)載納米復(fù)合材料:
[0043]稱取2g的石墨稀-鉬納米粒子-聚卩比略粉末，將其加入1mL 1% Naf1n的乙醇溶液，超聲分散lh。將分散有石墨烯-鉑納米粒子-聚吡咯粉末的I % Naf1n的乙醇溶液涂附在碳紙電極上，在空氣中干燥，帶溶劑揮發(fā)完后，用去離子水沖洗。
[0044]c)碳紙用銅導(dǎo)線連接到外電路，銅導(dǎo)線和碳紙連接部分涂上環(huán)