一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法与流程

本发明属于环境、材料、能源领域,，具体涉及一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法。

背景技术：

微生物燃料电池是一种新兴的生物电化学技术，它能够在降解有机物的同时产生电能。这使其在污水处理、生态修复以及生物能源等领域上有着广阔的应用前景。在微生物燃料电池中，阳极附着的产电微生物代谢产生胞外电子，通过电子中介体或纳米导线等将电子传递给阳极，电子经外电路到达阴极和电子接受体发生还原反应。产电微生物是微生物燃料电池的核心，阳极作为产电微生物的载体，其材料性质显著影响微生物的代谢以及胞外电子传递过程。微生物燃料电池的阳极除了需要满足传统化学电池电极的要求外，还需要具备良好的生物相容性，利于细菌负载并且促进电子转移，这对传统的电极材料提出了挑战。为了使阳极能够更好的发挥作用，研究人员尝试在传统的阳极材料上做修饰，达到提高其比表面积进而加大细菌的附着量，提高其生物相容性以及电子传递能力的目的。然而大多数材料存在合成程序复杂、反应条件苛刻、产量低等问题，因此，寻找一种易于大批量合成的，生物相容性好的材料迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池的制备方法。在水热条件下，原位合成石墨烯与二硫化铁复合物，二硫化铁纳米颗粒均匀负载在石墨烯片层上。石墨烯本身折叠形成的孔道具有较大的比表面积，利于微生物的生长。合成的复合物经过冻干、粉碎与粘结剂混合，涂覆在集流体（阳极表面）上，得到微生物燃料电池的阳极。

本发明为实现上述目的，采取的技术方案如下：

一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一：将三氯化铁和硫脲溶液逐滴滴入反应釜内的氧化石墨烯分散液中，并搅拌均匀后，密封反应釜，在温度为140℃~200℃之间水热反应12~24 h，得到水凝胶样品；

步骤二：将所述水凝胶样品用去离子水洗涤数次，冷冻干燥后粉碎得到石墨烯与二硫化铁复合物纳米粉体；

步骤三：将所述纳米粉体与浓度为5%的Nafion溶液以及异丙醇、去离子水混合震荡均匀后，涂覆在碳布上，碳布用固定件固定，碳布晾干后制得阳极。

本发明中，5%的Nafion溶液为粘结剂，还可采用PTFE水分散液、PDMS等作为粘结剂；

本发明中，采用碳布作为阳极基底，还可采用碳纸或碳毡作为阳极基底。

本发明相对于现有技术的有益效果是：（1）一步原位合成石墨烯与二硫化铁复合物来修饰传统的阳极，充分利用石墨烯高比表面积以及二硫化铁对胞外产电菌的亲和性来提高微生物燃料电池的性能，降低阳极电子转移阻抗，加快微生物燃料电池启动并提高了输出功率；（2）本方法的显著优势在于电极涂覆物石墨烯与二硫化铁复合物的合成步骤十分简单，获得粒子形貌均匀，石墨烯片层堆叠形成孔结构发达，电化学性能和生物相容好，作为微生物燃料电池的阳极能够获得很好的性能；（3）所制备的阳极适用于各种类型的微生物燃料电池包括水介质的微生物燃料电池、土壤微生物燃料电池以及植物微生物燃料电池等，并且不受限于微生物燃料电池的构型以及阴极电子接受体的类型；（4）涂覆石墨烯与二硫化铁复合物的电极其电子转移阻抗显著小于没有做修饰的集流体以及仅涂覆还原氧化石墨烯的电极。

综上，本发明涉及一种比例可调二硫化铁与石墨烯复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法。该方法以简单易得的水热法为基础、通过原料的比例获得不同机械强度的气凝胶负载在集流体上制备微生物燃料电池阳极。此方法工艺简便易行，原料来源充足，所得二硫化铁与石墨烯气凝胶的中二硫化铁纳米颗粒的粒径范围在10 nm到90 nm之间，平均尺寸为37 nm，制备的阳极在未负载微生物的情况下，电子转移阻抗在12 Ω，负载微生物的电子转移阻抗在66 Ω。本发明中制备石墨烯与二硫化铁复合物具有发达的多孔结构，粒子形貌均匀，修饰的电极具有良好的电化学活性。由于所制备的负载石墨烯与二硫化铁复合物的阳极具有较高的比表面积、较好的生物相容性和电化学性能，可被用作各种类型的阴极的微生物燃料电池的阳极，适合混合菌群和各种胞外产电菌的纯菌负载生长。本方法的显著优势在于其电极制作步骤简单，涂覆的材料易于合成，制备的阳极适合微生物生长，能够加快微生物燃料电池能够启动并获得较高的电压以及功率密度。

附图说明

图1为石墨烯与二硫化铁复合物的X射线衍射谱图；

图2为石墨烯与二硫化铁复合物以及制备的阳极上生长的生物膜扫描电子显微镜图；

图3为石墨烯与二硫化铁复合物透射电子显微镜图；

图4为制备的阳极在未接种和负载生物膜的交流阻抗图；

图5为组装的电池的功率密度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，所述方法具体步骤如下：

步骤一：将三氯化铁和硫脲溶液逐滴滴入反应釜内的氧化石墨烯分散液中，并搅拌均匀后，密封反应釜，在温度为140℃~200℃（最佳温度为180^oC）之间水热反应12~24 h小时（最佳反应时间是12 h），得到水凝胶样品；

步骤二：将所述水凝胶样品用去离子水洗涤数次，冷冻干燥后粉碎得到石墨烯与二硫化铁复合物纳米粉体；对其进行X射线晶体衍射测试，可以得知二硫化铁为marcasite以及pyrite两种晶型（图1）；从制备的石墨烯与二硫化铁复合物扫描电镜图中可以看到复杂丰富的石墨烯孔道（图2左侧图片）；从透射电镜中可以看出，所得二硫化铁与石墨烯气凝胶中二硫化铁纳米颗粒的粒径范围在10nm到90nm之间，平均粒径为37nm(图3)。

步骤三：将所述纳米粉体与浓度为5%的Nafion溶液以及异丙醇、去离子水混合震荡均匀后，涂覆在碳布上，碳布用固定件固定，碳布晾干后制得阳极（还可以涂覆在碳纸或碳毡上）。

用制备的阳极组装双室（100mL/室）微生物燃料电池考察阳极性能，与水热还原的还原氧化石墨烯修饰的碳布阳极以及没有经过修饰的碳布阳极做对照，发现其获得的最大功率密度（3.5W/cm²）要显著高于碳布阳极（2.8W/cm²）和涂覆还原氧化石墨烯的阳极（3.2W/cm²）（图5），电极上覆盖了厚厚一层生物膜（图2右侧图片）。将生物膜成熟的阳极进行交流阻抗测定，负载石墨烯与二硫化铁复合物的碳布阳极电子转移阻抗为66 Ω，显著小于单纯负载石墨烯的碳布阳极(129Ω)（图4）。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，步骤一中，三氯化铁与硫脲的摩尔比为6.8:5，硫脲质量为氧化石墨烯质量的2.0*10³倍。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，步骤三中，每毫克所述纳米粉体采用7.5μL5%的Nafion溶液（粘结剂）、异丙醇及去离子水分别不少于Nafion溶液体积1/2和1/7，并可依据实际情况适量增加。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，步骤一中，在140℃~200℃（最佳温度为180^oC）水热条件下，12~24 h反应时间内，三氯化铁和硫脲溶液反应生成二硫化铁，所述二硫化铁的生成与氧化石墨烯的还原是同步进行的。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，步骤一中，所述硫脲溶液中硫源的替代物为其他在水热条件下能够释放S^2-的硫源。

具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，步骤三中，所述的固定件为金属丝或电极夹。

具体实施方式七：具体实施方式六所述的一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，步骤三中，所述的金属丝为钛丝。

（也可以选择其他在阳极电解液中性质稳定并且少量溶解对微生物没有明显毒害作用的金属丝或电极夹中的一种来固定阳极）。

实施例1

本实施例记载的是一种负载石墨烯与二硫化铁复合物的微生物燃料电池阳极的制备方法，所述方法的具体步骤是：

步骤一；在搅拌的条件下，在预先合成的氧化石墨烯分散液中滴加预先混合好的三氯化铁和硫脲溶液，采用23 mL的反应釜，反应釜内液体总体积为17.5 mL，含有42 mg 氧化石墨烯、0.675 g FeCl₃·6H₂O、0.19 g (NH₂)₂CS，在180℃反应12 h，氧化石墨烯在水热条件下被还原为还原氧化石墨烯。该过程中涉及的其他方程式为：

(NH₂)₂CS + 2H₂O = CO₂ + H₂S + 2NH₃

2Fe³⁺ + 2S^2-= FeS₂ + Fe²⁺

反应后将水凝胶样品用去离子水浸泡洗涤数次，冷冻干燥后粉碎，获得石墨烯与二硫化铁纳米粉体样品；经过试验发现生成的石墨烯与二硫化铁复合物水凝胶形态的机械强度差，以其为阳极组装微生物燃料电池，细菌负载生长之后水凝胶会逐渐膨胀最终破碎，因此采用将该复合物粉碎作为修饰材料涂覆在传统的阳极材料上制备微生物燃料电池的阳极。

步骤二：称取4 mg研磨后的石墨烯与二硫化铁复合物于离心管中，加入15 μL异丙醇、30 μL 5% Nafion溶液、4 μL去离子水进行混合，涡旋震荡，用画笔涂在钛丝固定1 cm²的碳布上，晾干之后制得阳极。

步骤三：分别采用RIGAKU D/Max 3400 X-射线衍射仪：Cu-Kα/40KV/100mA，分析样品晶体结构和物相；Hitachi S-4800型扫描电子显微镜（SEM）和ZEISS LEO 922型透射电子显微镜（TEM），观测纳米粒子的形貌和孔结构。采用AMETEK Solartron的SI1287电化学工作站和SI1260阻抗仪来测定电极的交流阻抗；电池电压采集记录：Keithley 2700型数据采集器。

实施例2：

本实施例中的反应采用总工作体积为23 mL的不锈钢外套、聚四氟乙烯内衬的反应釜，根据测定出的氧化石墨烯浓度向反应釜中滴加氧化石墨烯，同时加入三氯化铁溶液和硫脲溶液，根据氧化石墨烯的浓度确定三氯化铁溶液和硫脲溶液的浓度。反应釜内液体总体积为17.5 mL，含有21mg GO、0.675 g FeCl₃·6H₂O、0.19 g (NH₂)₂CS。将反应釜放入电热鼓风干燥箱，在180℃下反应12 h得到水凝胶产物，用去离子水浸泡洗涤数次后备用。剩余步骤与实施例1相同。

制备得到的阳极适合于接种纯菌以及混合菌种的微生物燃料电池，并且不受电池构型和阴阳极电解液的限制。

实施例3：

参考实施例2，根据测定出的氧化石墨烯浓度向反应釜中滴加定量的氧化石墨烯，同时加入FeCl₃溶液和(NH₂)₂CS溶液，补加去离子水，保证反应釜内液体总体积为17.5 mL，且含有21 mg GO、0.675 g FeCl₃·6H₂O、0.19 g (NH₂)₂CS。将反应釜放入电热鼓风干燥箱，在180℃下反应12 h得到水凝胶产物，用去离子水浸泡洗涤数次后备用。

将制成的石墨烯与二硫化铁复合物放入-80℃超低温冰箱预冷30 min。预冷后的石墨烯与二硫化铁复合物放入冷冻干燥机冻干12 h。称取8 mg研磨后的石墨烯与二硫化铁复合物于离心管中，加入30 μL异丙醇、60 μL 5% Nafion溶液、8 μL 去离子水进行混合，其中异丙醇和去离子水可适当加量。在旋涡混合器上摇匀30 min。用直径0.3 mm的钛丝固定1 cm²的碳布，用画笔将混合后的悬液均匀涂抹在碳布两面，30℃烘箱烘干，备用。

实施例4：

参考实施例2，本实例中电极的固定方式为采用常用的不锈钢电极夹代替钛丝来固定阳极。

实施例5：

参考实施例2，本实例中称取40 mg研磨后的石墨烯与二硫化铁复合物于离心管中，加入150 μL异丙醇、300 μL 5% Nafion溶液、40μL 去离子水进行混合，其中异丙醇和去离子水可适当加量。在旋涡混合器上摇匀30 min。用直径0.3 mm的钛丝固定1 cm²的碳毡，用滴管逐滴滴加少量混合液到碳毡上，晾干，重复该步骤将混合液耗尽，制得阳极。

实施例6：

参考实施例2，本实例中反应在在160℃下进行18 h得到水凝胶产物。