一種一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法，所述復(fù)合電極中石墨烯和聚苯胺的原位合成同時(shí)進(jìn)行，包括以下步驟：以傳統(tǒng)石墨紙電極為載體電極，以質(zhì)子酸/苯胺電解液為工作介質(zhì)，采用工作電極?對電極式雙電極系統(tǒng)，在直流電壓作用下加工制備，于去離子水中清洗，自然晾干。相比沉積、摻雜、涂抹等外源石墨烯修飾手段，原位剝離石墨烯同步合成聚苯胺的方法，具有操作簡單、加工快捷、生物電化學(xué)兼容性更高等優(yōu)點(diǎn)，較傳統(tǒng)電極更適用于生物電化學(xué)體系。
【專利說明】
一種一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種一步原位制備石墨稀/聚苯胺復(fù)合電極的方法，屬于電極材料技術(shù)領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在電極材料研究領(lǐng)域，降低活化過電勢、提高活性比表面積的電極修飾起著至關(guān)重要的作用。相比于傳統(tǒng)的碳基電極材料，電極修飾電極克服了生物相容性差、導(dǎo)電性弱、 輸出電量低、形態(tài)控制困難等缺點(diǎn)，為電極材料的制備提供了新的思路。
[0003]石墨烯與聚苯胺材料的復(fù)合，不僅克服了石墨烯電導(dǎo)率低、聚苯胺結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的缺陷，更綜合了兩大材料的性能優(yōu)勢。目前，制備石墨烯-聚苯胺復(fù)合材料的制備方法有分散液共混、電化學(xué)沉積、共價(jià)接枝、化學(xué)氧化原位聚合和石墨烯界面修飾等方法。然而，目前技術(shù)普遍存在著操作相對復(fù)雜、制備耗時(shí)長、機(jī)械強(qiáng)度低、均一性和重復(fù)性較差等缺點(diǎn)。
[0004]—步原位制備石墨稀/聚苯胺復(fù)合電極，S卩直接在載體電極(傳統(tǒng)石墨紙)上，同時(shí)原位形成電化學(xué)活性高的石墨烯和聚苯胺，綜合了比表面積大、導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高、結(jié)合修飾力強(qiáng)、電化學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有操作簡單、耗時(shí)短、重復(fù)性高、尺寸可控等優(yōu)點(diǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的首要技術(shù)問題是提供一種更為簡便快捷、成本低廉、導(dǎo)電性能良好、性能穩(wěn)定的電極材料。
[0006]本發(fā)明解決上述首要技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0007]—種一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法，所述復(fù)合電極中石墨烯和聚苯胺的原位合成同時(shí)進(jìn)行，包括以下步驟:
[0008]以傳統(tǒng)石墨紙電極為載體電極，以質(zhì)子酸/苯胺電解液為工作介質(zhì)，采用工作電極-對電極式雙電極系統(tǒng)，在直流電壓作用下加工制備，于去離子水中清洗，自然晾干。
[0009]作為改進(jìn)，質(zhì)子酸/苯胺電解液為0.1?1M H2S04/0.05M苯胺溶液或0.1?1M HC14/0.05M苯胺溶液或0.1?1M HC1/0.05M苯胺溶液。
[0010]作為改進(jìn)，所加直流電壓為2?20V。
[0011]作為改進(jìn)，加工制備時(shí)間為0.5?30min。
[0012]所述的原位石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極可直接作為電極材料使用。
[0013]有益效果:
[0014]1.電極尺寸和形狀便于調(diào)節(jié)，可以制作大尺寸或小尺寸的電極，適合工業(yè)用途或精密設(shè)備的需要。
[0015]2.相比沉積、摻雜、涂抹等外源石墨烯修飾手段，原位剝離石墨烯具有操作簡單、 耗時(shí)短、重復(fù)性高、尺寸可控等優(yōu)點(diǎn)。
[0016]3.原位聚苯胺與原位石墨烯的同步合成，較傳統(tǒng)電極具有較高生物電化學(xué)兼容性，更有利于生物電化學(xué)方面的應(yīng)用?！靖綀D說明】
[0017]圖1為實(shí)施例1中所制備的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的表征圖，其中，圖a為石墨烯/ 聚苯胺復(fù)合電極實(shí)物圖；圖b為石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極SEM照片；圖c為石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極FTIR譜圖；圖d為石墨稀/聚苯胺復(fù)合電極RAMAN譜圖；圖e為石墨稀/聚苯胺復(fù)合電極循環(huán)伏安圖；圖f為石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極XPS圖；
[0018]圖2為實(shí)施例2中在不同電解液中制備的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極圖，其中電解液A 為0.1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液，電解液B為1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液，電解液C為0.1M HC14/ 0.05M苯胺溶液，電解液D為1M HCKk/0.05M苯胺溶液，電解液E為0.1M HC1/0.05M苯胺溶液，電解液F為1M HC1/0.05M苯胺溶液；
[0019]圖3為實(shí)施例3中在不同電壓下制備的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極圖；
[0020]圖4為實(shí)施例4中在不同加工時(shí)間下制備的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極圖；
[0021]圖5為實(shí)施例2中所制備的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極應(yīng)用于微生物燃料電池的時(shí)間-輸出電壓圖，其中，在圖(a)和圖(b)中，P均為石墨紙電極；圖(a)中，Ai是以0.1M H2S〇4為電解液的石墨烯電極，A2是以0.1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液為電解液的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極；圖(b)中，是以1M H2S〇4為電解液的石墨烯電極，B2是以1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液為電解液的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極?！揪唧w實(shí)施方式】【具體實(shí)施方式】
[0022]
[0023]以下通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體描述或作進(jìn)一步說明，其目的在于更好的理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)涵，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于以下的實(shí)施范圍。[〇〇24] 實(shí)施例1[〇〇25]以傳統(tǒng)石墨紙電極為載體電極，以質(zhì)子酸/苯胺電解液(H2S04 0.1M、苯胺0.05M)為工作介質(zhì)，采用工作電極(傳統(tǒng)石墨紙電極)-對電極(鉑絲電極)式雙電極系統(tǒng)，在10V直流電壓作用下，加工2min，去離子水中清洗，瞭干，S卩一步制得石墨稀/聚苯胺復(fù)合電極。
[0026]如圖1所示，由其中的SEM圖可看出在石墨烯褶皺結(jié)構(gòu)上覆蓋有聚苯胺的細(xì)小顆粒物；由RAMAN圖可以看出該復(fù)合材料在1000?1750CHT1范圍內(nèi)確實(shí)具有石墨烯的D-G特征峰和聚苯胺的寬特征峰；由FTIR圖可以看出該復(fù)合材料不僅具有0-11、0 = 0、0 = (:、-011等石墨烯官能團(tuán)的特征吸收峰，也具有N-H、C-N、C-H+等聚苯胺官能團(tuán)的特征吸收峰；由CV圖同樣也可以看出該電極材料具有石墨烯和聚苯胺的特征峰體現(xiàn);另外，通過XPS數(shù)據(jù)圖顯示，該復(fù)合材料中有元素<^18、018、附8和51^的結(jié)合束縛能的體現(xiàn)，證實(shí)了石墨稀/聚苯胺復(fù)合電極材料的成功制備。[〇〇27] 實(shí)施例2:
[0028]與實(shí)施例1基本相同，但有以下改變:質(zhì)子酸/苯胺電解液選擇:電解液A(0.1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液)、電解液B( 1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液)、電解液C(0.1M HCKk/0.05M苯胺溶液)、電解液D( 1M HCKk/0.05M苯胺溶液)、電解液E(0.1M HC1/0.05M苯胺溶液)和電解液F(1M HC1/0.05M苯胺溶液)，所得復(fù)合電極如圖2所示。[〇〇29] 實(shí)施例3:[〇〇3〇]與實(shí)施例1基本相同，但有以下改變:直流穩(wěn)壓電源提供的外加電壓為2 V、4V、6 V、 8V、10V、12V、14V、16V、20V，所得復(fù)合電極如圖3所示。[〇〇31] 實(shí)施例4:[〇〇32] 與實(shí)施例1基本相同，但有以下改變:加工制備時(shí)間為30s、lmin、2min、5min、 10min、20min、30min，所得復(fù)合電極如圖4所示。[〇〇33] 實(shí)施例5:
[0034]將實(shí)施例2制備的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極應(yīng)用于微生物燃料電池(MFCs)，其時(shí)間-輸出電壓曲線圖如圖5所示。其中，P為石墨紙電極是以0.1M H2S04為電解液的石墨烯電極;A2是以0.1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液為電解液的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極；是以1M H2S〇4為電解液的石墨烯電極;B2是以1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液為電解液的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極。
[0035]由圖5可以看出，在MFCs中，對于一步原位制備的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極，其產(chǎn)電量比傳統(tǒng)石墨紙電極以及原位合成石墨烯的電極高的多，約為傳統(tǒng)石墨紙電極的6?7倍、 原位石墨烯電極的1.5?2倍，證明此方法合成的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極較傳統(tǒng)電極具有較高生物電化學(xué)兼容性，更有利于生物電化學(xué)方面的應(yīng)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法，其特征在于，包括以下步驟:以傳統(tǒng)石墨紙電極為載體電極，以質(zhì)子酸/苯胺電解液為工作介質(zhì)，采用工作電極-對 電極式雙電極系統(tǒng)，在直流電壓作用下加工制備，于去離子水中清洗，自然晾干。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法，其特征在于， 所述的質(zhì)子酸/苯胺電解液為〇.1?1M H2S〇4/0.05M苯胺溶液或0.1?1M HCKk/0.05M苯胺 溶液或〇.1?1M HC1/0.05M苯胺溶液。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法，其特征在于， 所述的雙電極系統(tǒng)指的是以傳統(tǒng)石墨紙電極為工作電極，以鉑絲電極為對電極。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法，其特征在于， 所述的外加直流電壓為2?20V。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一步原位制備石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極的方法，其特征在于， 所述的加工制備時(shí)間為0.5?30min。
【文檔編號】H01M4/88GK106058278SQ201610421237
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】雍陽春, 孫得珍, 翟丹丹
【申請人】江蘇大學(xué)