CN110165230A - 一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物电化学领域，尤其涉及一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法。本发明步骤(1)中得到的羧基碳纳米管和羧基碳纤维带负电，有利于提高其静电吸附功能；步骤(5)中通过高温碳化多层结构中的聚电解质，提高了阳极的结构稳定性和导电性能。本发明大幅度提高了可供微生物附着的电极表面积，降低了电极的内阻，并提高了电子转移效率；制备过程中所用的试剂可循环使用，节能环保；方法简单易行，成本低廉。

Description

一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法
技术领域
本发明属于生物电化学领域，尤其涉及一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法。
背景技术
目前，化石燃料的枯竭和环境污染是对人类可持续发展构成巨大威胁的两个重要因素，而生物电化学系统不仅可以有效解决环境污染，还可以将废水转换为电能，是可以同时解决这两个问题的独特系统。碳纤维是生物电化学系统中常用的阳极材料。但是，碳纤维的低比表面积导致微生物附着数量不足，而内阻较大则严重降低了电子转移效率。
现有常用的处理方式为化学沉积法(CVD)，通过化学方法先在碳纤维表面沉积金属催化剂，通过乙烯或者乙炔气体，在无氧状况下高温碳化，在碳纤维上沉积碳纳米管，该方法工艺复杂，耗能大，且只能处理小面积的碳纤维，无法实现大面积碳纤维的处理。
因此，如何用一种简单易行的办法来制备高比表面积、低内阻的阳极则成为生物电化学系统需要解决的关键问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种利用碳纳米管和碳纤维、采用类似于层层焊接的方式制备生物电化学系统阳极的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法，步骤如下：
(1)将碳纳米管和碳纤维分别浸入酸混合液中2-5h，得到羧基碳纳米管分散液和羧基碳纤维；
(2)将步骤(1)的羧基碳纤维浸入带正电的聚电解质水溶液中6-20min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在羧基碳纤维上组装上带正电的聚电解质层；
(3)将经过步骤(2)处理后的羧基碳纤维浸入步骤(1)得到的羧基碳纳米管分散中6-20min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在带正电的聚电解质上组装上带负电的羧基碳纳米管层；
(4)将步骤(2)和步骤(3)交替进行2-50次，经过层层组装，在碳纤维基底上得到聚电解质/碳纳米管交替叠加的多层结构；
(5)在300-800cm3/min稳定的氩气流保护下，将步骤(4)的多层结构置入管式炉中，按1-80℃/min的加热速率加热至300-2200℃，保持加热0.5-6h，冷却至20-25℃，即得生物电化学系统阳极。
进一步，步骤(1)中，所述的碳纤维为碳纸、碳毡、碳刷或碳布；所述的酸混合液为浓硝酸和浓硫酸按照体积比1:(1-7)混合。
更进一步，所述的浓硝酸浓度为≥60wt％；所述的浓硫酸浓度为≥95wt％。
进一步，步骤(1)中，碳纳米管与酸混合液的用量比为1mg：(0.1-10)mL；碳纤维与酸混合液的用量比为1mg：(0.1-10)mL。
进一步，步骤(1)中，所得羧基碳纳米管分散液的浓度为0.02-1.0mg/mL。
进一步，步骤(2)中，所述的聚电解质为重均分子量4000-100000的聚乙烯亚胺。
进一步，所述的聚电解质水溶液浓度为1-50mg/mL。
本发明的有益效果是：
1、本发明步骤(1)中得到的羧基碳纳米管和羧基碳纤维带负电，有利于提高其静电吸附功能；步骤(5)中通过高温碳化多层结构中的聚电解质，提高了阳极的结构稳定性和导电性能。
2、本发明大幅度提高了可供微生物附着的电极表面积，降低了电极的内阻，并提高了电子转移效率；制备过程中所用的试剂可循环使用，节能环保；方法简单易行，成本低廉。
附图说明
图1为本发明制作生物电化学阳极的示意图；
图2为碳纸、组装碳纸和碳化组装碳纸的产电性能测试曲线图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种利用碳纳米管和碳纸制备生物电化学系统阳极的方法，步骤如下：
(1)将100mg碳纳米管和85mg、2×2cm碳纸分别浸入20mL浓硝酸和浓硫酸(1:3，V/V)的混合液中2h，碳纳米管酸液稀释至100mL,经砂芯漏斗多次真空抽滤至滤液呈中性，分散至100mL的去离子水中，经过超声1min，得到羧基碳纳米管分散液，碳纸混酸处理后冲洗至中性，得到羧基碳纸；
(2)将步骤(1)的羧基碳纸浸入带正电的10mg/mL聚乙烯亚胺水溶液中10min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在羧基碳纸上组装上带正电的聚乙烯亚胺；
(3)将经过步骤(2)处理后的羧基碳纸浸入步骤(1)得到的羧基碳纳米管分散液中10min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在带正电的聚乙烯亚胺上组装上带负电的羧基碳纳米管；
(4)将步骤(2)和步骤(3)交替进行20次，在碳纤维基底上得到聚电解质/碳纳米管交替叠加的多层结构；
(5)在500cm3/min稳定的氩气流保护下，将步骤(4)的多层结构置入管式炉中，按20℃/min的加热速率加热至600℃，保持加热1h，冷却至20℃，即得生物电化学系统阳极。
实施例2
一种利用碳纳米管和碳毡制备生物电化学系统阳极的方法，步骤如下：
(1)将3mg碳纳米管和3mg、2×2cm碳毡分别浸入20mL浓硝酸和浓硫酸(1:5，V/V)的混合液中4h，碳纳米管酸液稀释至100mL,经砂芯漏斗多次真空抽滤至滤液呈中性，分散至100mL的去离子水中，经过超声1min，得到羧基碳纳米管分散液，碳毡混酸处理后冲洗至中性，得到羧基碳毡；
(2)将步骤(1)的羧基碳毡浸入带正电的16mg/mL聚乙烯亚胺水溶液中15min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在羧基碳毡上组装上带正电的聚乙烯亚胺；
(3)将经过步骤(2)处理后的羧基碳毡浸入步骤(1)得到的羧基碳纳米管水溶液中15min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在带正电的聚乙烯亚胺上组装上带负电的羧基碳纳米管；
(4)将步骤(2)和步骤(3)交替进行8次，在碳纤维基底上得到聚电解质/碳纳米管交替叠加的多层结构；
(5)在400cm3/min稳定的氩气流保护下，将步骤(4)的多层结构置入管式炉中，按20℃/min的加热速率加热至600℃，保持加热1h，冷却至23℃，即得生物电化学系统阳极。
应用例
采用实施例1中制备的生物电化学系统阳极进行应用测试，命名为碳化组装碳纸，两个对照样品分别为组装碳纸和碳纸，同时通过微生物燃料电池进行性能测试。微生物燃料电池作为典型的生物电化学系统，通过阳极上附着的产电菌消耗碳源代谢产生质子与电子，实现生物质能转变为电能，对于新旧动能转换，研发可再生能源有着深远意义。阳极性能的优劣可以通过微生物燃料电池的输出电流密度的大小直观表现，电流密度高则可证明电极有较优的生物亲和性以及电子转移效率。现有碳纸、组装碳纸、碳化组装碳纸三个阳极，对应阴极皆为含铂碳纸，阴阳极间连接1kΩ电阻；阳极室接种产电菌，阴极室为铁氰化钾溶液，阴阳室以质子膜隔离。搭建微生物燃料电池后经过三个周期的运行，其产电性能见图2。
图2展示出了三个电池性能逐渐增加和稳定的过程，明显看到配备碳化组装碳纸的电池实现了比碳纸和组装碳纸更好的性能。碳化组装碳纸阳极的最大电流密度从2404mA/m2增加到2982mA/m2，远远高出组装碳纸(1801mA/m2)和碳纸(916mA/m2)。并且碳化组装碳纸每个周期的运行时长比其他阳极长约4小时，这是更好稳定性的体现。这证明了碳化组装碳纸有较强的三维结构和连接强度，这可以促进产电菌的附着。另一方面说明碳化后阳极的导电性能更好，这加速了细菌和阳极之间的电荷转移速率。因此，实施例1中的阳极方案在微生物燃料电池中的应用性能较空白碳纸大大提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)将碳纳米管和碳纤维分别浸入酸混合液中2-5h，得到羧基碳纳米管分散液和羧基碳纤维；
(2)将步骤(1)的羧基碳纤维浸入带正电的聚电解质水溶液中6-20min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在羧基碳纤维表面组装上带正电的聚电解质层；
(3)将经过步骤(2)处理后的羧基碳纤维浸入步骤(1)得到的羧基碳纳米管分散液中6-20min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在带正电的聚电解质层上组装上带负电的羧基碳纳米管层；
(4)将步骤(2)和步骤(3)交替进行2-50次，经过层层组装，在碳纤维基底上得到聚电解质/碳纳米管交替叠加的多层结构；
(5)在300-800cm3/min稳定的氩气流保护下，将步骤(4)的多层结构置入管式炉中，按1-80℃/min的加热速率加热至300-2200℃，保持加热0.5-6h，冷却至20-25℃，即得生物电化学系统阳极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的碳纤维为碳纸、碳毡、碳刷或碳布；所述的酸混合液为浓硝酸和浓硫酸按照体积比1:(1-7)混合。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的浓硝酸浓度为≥60wt％；所述的浓硫酸浓度为≥95wt％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，碳纳米管与酸混合液的用量比为1mg：(0.1-10)mL；
碳纤维与酸混合液的用量比为1mg：(0.1-10)mL。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所得羧基碳纳米管分散液的浓度为0.02-1.0mg/mL。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的聚电解质为重均分子量4000-100000的聚乙烯亚胺。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的聚电解质水溶液浓度为1-50mg/mL。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649270A (zh) * 2019-09-09 2020-01-03 北京科技大学 一种微生物燃料电池用纳米纤维/产电菌薄膜制备方法
CN110665510A (zh) * 2019-09-19 2020-01-10 西安工程大学 一种用于合成气制低碳醇的铜钴基催化剂的制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103409985A (zh) * 2013-08-07 2013-11-27 常州大学 一种碳纳米管负载碳纤维的制备方法
CN108585544A (zh) * 2018-05-10 2018-09-28 暨南大学 一种基于碳纳米管组装复合材料对基底材料进行表面修饰的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103409985A (zh) * 2013-08-07 2013-11-27 常州大学 一种碳纳米管负载碳纤维的制备方法
CN108585544A (zh) * 2018-05-10 2018-09-28 暨南大学 一种基于碳纳米管组装复合材料对基底材料进行表面修饰的方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110649270A (zh) * 2019-09-09 2020-01-03 北京科技大学 一种微生物燃料电池用纳米纤维/产电菌薄膜制备方法
CN110649270B (zh) * 2019-09-09 2021-04-06 北京科技大学 一种微生物燃料电池用纳米纤维/产电菌薄膜制备方法
CN110665510A (zh) * 2019-09-19 2020-01-10 西安工程大学 一种用于合成气制低碳醇的铜钴基催化剂的制备方法
CN110665510B (zh) * 2019-09-19 2022-04-29 西安工程大学 一种用于合成气制低碳醇的铜钴基催化剂的制备方法

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