一种聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法及应用

本发明属于微生物燃料电池阳极材料，具体涉及一种聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法及应用。

背景技术：

1、微生物燃料电池（microbial fuel cell，mfcs）在强化去除污染物的同时能够回收电能，是创新性的污水处理技术和生物质能源形式。然而，目前该技术的输出功率密度较低是制约其实际应用的瓶颈。阳极作为mfcs的核心，阳极材料的结构和表面性能一方面影响微生物的附着和富集，另一方面影响电活性细菌与阳极之间的胞外电子传递。传统碳基阳极材料如碳布、碳毡和碳纸等，其生物粘附性和胞外电子传递效率较低，其生物相容性、电化学活性亟待提高。因此，设计和制备具有高导电性、大孔结构、良好生物相容性和表面活性的阳极材料对于组装高性能的mfcs至关重要。

2、石墨烯气凝胶（ga）作为一种3d石墨烯基材料，具有高导电性、3d互相连通的大孔结构等优点，在能量储存和转换、环境污染控制等诸多领域引起了广泛关注，但ga较强的疏水性是影响微生物附着和胞外电子传递的不利因素。聚多巴胺（pda）与贻贝黏附蛋白结构相似，包含儿茶酚，取代胺、平面吲哚等丰富的功能基团，具有优异的生物相容性、亲水性并且具有很强的粘附性，能黏附到几乎所有材料的表面。结合ga和pda两种材料的优点，本发明设计了聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶（pda/ga）改性阳极材料，以探究该新型阳极材料对微生物燃料电池性能的影响。

技术实现思路

1、本发明针对裸碳刷（carbon brush，cb）阳极mfcs输出功率密度过低的问题而提供了一种聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法，该方法以商品化石墨粉和盐酸多巴胺单体为原料，经水热处理、冷冻干燥和和自聚合制备聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷即改性微生物燃料电池阳极材料，并利用聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷作为阳极组装双室型mfcs，该过程制备工艺简便、性能优良，研究表明该聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷阳极对提高mfcs的性能和推动其工业化应用有重要意义。

2、本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法，其特征在于具体步骤为：

3、步骤s1：将抗坏血酸加入到氧化石墨烯分散液中，再将混合液在冰浴中超声处理20~50min后浸入碳刷，于60~80℃水热还原3~8h后自然冷却至室温，二维氧化石墨烯纳米片组装形成三维块状石墨烯水凝胶，用乙醇/水洗涤2~4次除去杂质，将石墨烯水凝胶于-20℃冷冻18~28h，再真空冷冻干燥40~60h得到石墨烯气凝胶修饰碳刷；

4、步骤s2：将盐酸多巴胺溶解于去离子水中得到盐酸多巴胺溶液，将氨水溶液与乙醇和去离子水混合均匀，再将这两种溶液混合均匀，将步骤s1得到的石墨烯气凝胶修饰碳刷浸泡在上述混合溶液中4~8h，再于60℃真空干燥得到聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷。

5、进一步地，步骤s1中所述氧化石墨烯的具体制备过程为：在冰水浴条件下将1g石墨粉加入到23ml浓硫酸中，搅拌10min，再加入3g kmno4，继续搅拌1h得到深绿色混合物，将其转移到30℃水浴条件下继续搅拌1h，在96℃水浴条件下逐滴加入46ml去离子水，继续搅拌30min，最后加入10ml h2o2和140ml去离子水终止反应，取出，冷却至室温，将所得产物以4000rpm的转速离心10min，弃去上层液，依次用5wt%盐酸溶液和无水乙醇洗涤3~4次，每次充分洗涤后都需以4000rmp的转速离心5min，然后弃去废液，于60℃干燥12h得到氧化石墨烯。

6、进一步地，步骤s1中所述氧化石墨烯分散液的浓度为3mg·ml-1，所述抗坏血酸与氧化石墨烯的投料质量比为1:1。

7、本发明所述聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料在制备微生物燃料电池阳极中的应用，其特征在于：以聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷作为阳极，普通裸碳刷作为阴极，nafion 117质子交换膜为分隔膜组装微生物燃料电池即pga/cb-mfcs，其中以厌氧污泥为混合菌源，以含1g l-1葡萄糖、 50mmol·l-1磷酸盐缓冲溶液、12.5ml·l-1维生素溶液和12.5ml·l-1矿物质溶液的混合溶液为阳极营养液，以50mmol·l-1铁氰化钾为阴极溶液。

8、本发明具有以下优点和有益效果：本发明采用所制备的聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷作为阳极，构建双室型微生物燃料电池，同时构建石墨烯气凝胶修饰碳刷和裸碳刷为阳极的双室型微生物燃料电池作为对照。三种不同类型阳极的微生物燃料电池分别标记为pga/cb-mfcs、ga/cb-mfcs和cb-mfcs。在相同条件下启动运行，经测试：120天长期运行后pga/cb-mfcs电压最终稳定在658±17mv，分别比cb-mfcs（541±23mv）和ga/cb-mfcs（610±19mv）高21.6%和7.9%。本发明聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法工艺简便、性能优良，对提升mfcs的性能和推动其工业化应用具有重要意义。

技术特征：

1.一种聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法，其特征在于具体步骤为：

2. 根据权利要求1所述的聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法，其特征在于：步骤s1中所述氧化石墨烯的具体制备过程为：在冰水浴条件下将1g石墨粉加入到23ml浓硫酸中，搅拌10min，再加入3g kmno4，继续搅拌1h得到深绿色混合物，将其转移到30℃水浴条件下继续搅拌1h，在96℃水浴条件下逐滴加入46ml去离子水，继续搅拌30min，最后加入10ml h2o2和140ml去离子水终止反应，取出，冷却至室温，将所得产物以4000rpm的转速离心10min，弃去上层液，依次用5wt%盐酸溶液和无水乙醇洗涤3~4次，每次充分洗涤后都需以4000rmp的转速离心5min，然后弃去上层液，于60℃干燥12h得到氧化石墨烯。

3.根据权利要求1所述的聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法，其特征在于：步骤s1中所述氧化石墨烯分散液的浓度为3mg·ml-1，所述抗坏血酸与氧化石墨烯的投料质量比为1:1。

4.根据权利要求1~3中任意一项所述的方法制备的聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料在制备微生物燃料电池阳极中的应用。

5. 根据权利要求4所述的应用，其特征在于：以聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷作为阳极，普通裸碳刷作为阴极，nafion 117质子交换膜为分隔膜组装微生物燃料电池即pga/cb-mfcs，其中以厌氧污泥为混合菌源，以含1g l-1葡萄糖、 50mmol·l-1磷酸盐缓冲溶液、12.5ml·l-1维生素溶液和12.5ml·l-1矿物质溶液的混合溶液为阳极营养液，以50mmol·l-1铁氰化钾为阴极溶液。

技术总结本发明公开了一种聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶改性微生物燃料电池阳极材料的方法及应用，该方法以商品化石墨粉和盐酸多巴胺单体为原料，经水热处理、冷冻干燥和和自聚合制备聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷，并利用聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷作为阳极组装双室型MFCs，该过程制备工艺简便、性能优良，研究表明该聚多巴胺包覆石墨烯气凝胶修饰碳刷阳极对提高MFCs的性能和推动其工业化应用有重要意义。技术研发人员：郭伟,陈莹莹,王嘉懿,崔亮,王萌萌,孙亚慧受保护的技术使用者：新乡医学院技术研发日：技术公布日：2024/8/27