一種表面鈦／氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電極，特別是一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界人口數(shù)的持續(xù)增加，人類日益受到能源資源不足以及環(huán)境惡化的影響，因此開發(fā)新能源得到廣泛的重視，而利用可再生的生物質(zhì)能發(fā)電是一種有效的手段。微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFC)作為一種利用微生物代謝產(chǎn)生電能的新方法，近年來受到更多人們的關(guān)注。它是一種利用微生物作為催化劑將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，微生物可以代謝有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生電能。但是，現(xiàn)有的微生物燃料電池普遍具有產(chǎn)電量低的缺點(diǎn)；同時(shí)現(xiàn)有技術(shù)中的陽極表面積一般較小，不利于微生物的大量附著，且催化效能適用面窄;現(xiàn)有技術(shù)中多采用鉑作為陰極催化劑，雖然催化效果好，但是過于昂貴。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003]本實(shí)用新型的實(shí)用新型目的在于:針對上述存在的問題，提供一種電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，從而提高電量產(chǎn)量，并降低生產(chǎn)成本的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極。
[0004]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0005]本實(shí)用新型的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，通過以下步驟制備而成:
[0006]步驟一:按濃硫酸:石墨粉:硝酸鈉質(zhì)量比65:1:0.6在冰浴的條件下向濃硫酸中加入石墨粉和硝酸鈉，攪拌溶解30min后，按照石墨粉:高錳酸鉀質(zhì)量比1: 5，向混合溶液中加入高錳酸鉀，攪拌1h后，按照濃硫酸:去離子水體積比1:1向混合溶液中加入去離子水，將混合物置于真空度為0.93的條件下，按照1.2°C/h的速率緩慢升溫至52°C，保持52°C恒溫繼續(xù)攪拌22h后，按照濃硫酸比雙氧水體積比1: 0.1向混合溶液中加入雙氧水，在52°C溫度下攪拌2.5h后離心，將固液分離取固體，固體分別用5%的稀鹽酸和去離子水沖洗，干燥后得到氧化石墨烯；
[0007]步驟二:用去離子水將氧化石墨烯配置成濃度為1.3mg/mL的溶液，按照質(zhì)量比8:1向溶液中加入四氮化三鈦，在室溫超聲2h后，微波反應(yīng)100W的條件下反應(yīng)1min后，將混合溶液置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的熱反應(yīng)釜中，充入氬氣作為保護(hù)氣后密封，抽真空達(dá)到真空度
0.8，升溫至180°C反應(yīng)36h，在氬氣保護(hù)氣存在下冷卻至常溫，制得表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠。
[0008]由于采用了上述技術(shù)方案，三維石墨烯導(dǎo)電性好，生物相容性高，容易形成三維多孔的氣凝膠結(jié)構(gòu)，鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠具有親水性表面，降低了氧化石墨烯表面疏水性，電解液更容易浸潤，導(dǎo)電性較好，提高了其在陽極電解液中的反應(yīng)活性面積。
[0009]本實(shí)用新型的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，所述表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小為9μπι。
[0010]由于采用了上述技術(shù)方案，電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好;三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)崩解現(xiàn)象;孔徑大小為9μπι，適合細(xì)菌進(jìn)入。
[0011]本實(shí)用新型的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，該電極應(yīng)用于基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的方法，所述基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池包括設(shè)置在外殼內(nèi)的反應(yīng)器和設(shè)置在外殼外的電池正極和電池負(fù)極，所述電池正極的底部連接于反應(yīng)器的一端;所述電池負(fù)極的底部連接于反應(yīng)器的另一端;所述反應(yīng)器包括密封殼和設(shè)置在密封殼內(nèi)的陽極和陰極，所述陽極和陰極表面附著有微生物，所述陽極與陰極之間設(shè)有離子交換膜，所述陽極與電池正極相連，所述陰極與電池負(fù)極相連，所述密封殼內(nèi)充滿介質(zhì);所述外殼與密封殼之間充滿填充介質(zhì);所述陽極為表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠，所述陰極為V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極;所述微生物為腐敗希瓦氏菌，所述介質(zhì)為對氧化三甲胺。
[0012]由于采用了上述技術(shù)方案，離子交換膜將反應(yīng)器分隔成為陽極室和陰極室，在陽極室厭氧環(huán)境下，氧化三甲胺腐敗希瓦氏菌的作用下，降解產(chǎn)生三甲胺，進(jìn)而生成二甲胺和甲醛等，陰極室中的氧氣在陰極的催化作用下，得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水，反應(yīng)器產(chǎn)生電能，通過連接電池正極和電池負(fù)極即可形成回路，將反應(yīng)器產(chǎn)生的電能釋放。
[0013]本實(shí)用新型的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，所述電池正極和電池負(fù)極之間設(shè)有絕緣阻燃層，所述絕緣阻燃層覆于密封殼上表面;所述外殼的底部設(shè)有介質(zhì)交換器，所述介質(zhì)交換器通過通道與密封殼內(nèi)部相連通。
[0014]由于采用了上述技術(shù)方案，絕緣阻燃層能夠?qū)⒔^緣阻燃，提高電池的安全性能;通過介質(zhì)交換器能夠不斷補(bǔ)充新的介質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器，保證電池的持續(xù)工作，延長電池的使用壽命O
[0015]本實(shí)用新型的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，所述絕緣阻燃層10包括37%乙烯基樹脂，21%硅膠，5%塑化劑，3%二鹽基硬脂酸鉛，5%含氧硅油，2%鉑絡(luò)合物，5%乙炔基環(huán)己醇，3%云母，9%娃氧烷低聚物和10%鄰苯二甲酸二甲酯。
[0016]由于采用了上述技術(shù)方案，該絕緣阻燃層具有防水、阻燃、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，且質(zhì)量較輕。
[0017]本實(shí)用新型的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，離子膜交換膜包括全氟磺酸質(zhì)子膜一，全氟磺酸質(zhì)子膜一的下層覆蓋有二氧化硅層，二氧化硅的下層覆蓋有全氟磺酸質(zhì)子膜二; 二氧化娃層的厚度為450nm，全氟磺酸質(zhì)子膜一表面覆有鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層，全氟磺酸質(zhì)子膜二表面覆有藻酸雙酯鈉層。
[0018]由于采用了上述技術(shù)方案，S12表面羥基與全氟磺酸質(zhì)子膜表面的磺酸根相互作用起到了物理交聯(lián)聚合物效果，鄰苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯層和藻酸雙酯鈉層能夠?qū)崿F(xiàn)對全氟磺酸質(zhì)子膜上磺酸基團(tuán)的交聯(lián)，提高了膜的含水量，使得質(zhì)子更容易自由通過，提高了離子膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率和能量效率，同時(shí)避免微生物代謝產(chǎn)物對離子膜的污染，保證了離子膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率，提高了電池的能量效率。
[0019]本實(shí)用新型的一種表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極，所述V02/S_AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層呈納米薄片狀，所述V02/S-AC層的厚度為300nm，所述V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的聚二甲基娃氧燒與炭黑的負(fù)載量為6.25mg/cm2和1.56mg/cm2。
[0020]由于采用了上述技術(shù)方案，陰極催化性能好，且釩的價(jià)格低于鉑，降低了生產(chǎn)成本。
[0021]本實(shí)用新型的一種應(yīng)用上述電極的基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池，包括設(shè)置在外殼內(nèi)的反應(yīng)器和設(shè)置在外殼外的電池正極和電池負(fù)極，所述電池正極的底部連接于反應(yīng)器的一端;所述電池負(fù)極的底部連接于反應(yīng)器的另一端;所述反應(yīng)器包括密封殼和設(shè)置在密封殼內(nèi)的陽極和陰極，所述陽極和陰極表面附著有微生物，所述陽極與陰極之間設(shè)有離子交換膜，所述陽極與電池正極相連，所述陰極與電池負(fù)極相連，所述密封殼內(nèi)充滿介質(zhì);所述外殼與密封殼之間充滿填充介質(zhì);所述陽極為表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠，所述陰極為V02/S_AC泡沫鎳空氣陰極;所述微生物為腐敗希瓦氏菌，所述介質(zhì)為對氧化三甲胺;所述電池正極和電池負(fù)極之間設(shè)有絕緣阻燃層，所述絕緣阻燃層覆于密封殼上表面;所述外殼的底部設(shè)有介質(zhì)交換器，所述介質(zhì)交換器通過通道與密封殼內(nèi)部相連通。
[0022]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0023]1、電極表面活化面積較大，增大微生物與電極表面間的靜電作用，增加微生物吸附性，催化性能好，電能產(chǎn)率高。
[0024]2、降低微生物燃料電池陽極的生產(chǎn)成本，更貼近于微生物燃料電池的實(shí)際應(yīng)用，在控制電極成本的前提下，獲得更高的微生物燃料電池的產(chǎn)電效率。
[0025]3、采用了該電極的微生物燃料電池，電量產(chǎn)量得到提高，電池的質(zhì)子傳導(dǎo)率提高，電池的安全性能高，使用壽命長。
【附圖說明】
[0026]圖1是一種應(yīng)用表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極的基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是一種應(yīng)用表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠電極的基于對氧化三甲胺介質(zhì)的微生物燃料電池的工作原理示意圖；
[0028]圖3是表面鈦/氮摻雜介孔石墨烯氣凝膠的三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的SEM圖；
[0029]圖4是V02/S-AC泡沫鎳空氣陰極表面的V02/S-AC層的SEM圖。
[0030]圖中標(biāo)記:I為反應(yīng)器，2為陽極，3為陰極，4為微生物，5為介質(zhì)，6為密封殼，7為離子交換膜，8為電池正極，9為電池負(fù)極，10為絕緣阻燃層，11為外殼，12為填充介質(zhì)，13為介質(zhì)交換器，14為通道。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型作詳細(xì)的說明。
[0032]為了使實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白