一种成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极及制备方法和用途与流程

本发明涉及一种成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极及制备方法和用途，属于电极材料技术领域。

背景技术：

传统的碳基电极具有良好的稳定性且价廉易得，在电极材料应用领域占有重要的地位。然而，导电性与生物相容性不佳是制约其应用的瓶颈。电极修饰技术能够在原有电极的基础上大大提高电极性能，是常用的电极改良方法和设计思路。

其中，导电高分子聚合物聚苯胺因其生物相容性佳导电性能好、易与碳材料形成稳定复合体(《化工新型材料》，2015,43(7):218-220)、且制备技术简单受到研究广泛关注，本发明提供的制备成簇聚苯胺纳米纤维复合电极的方法，可以使聚苯胺稳定锚定于碳布的表面，并在碳布表面形成规则的成簇状的纳米纤维结构，大大提高了材料的比表面积，改善了材料的导电性能，电容能力和生物相容性，同时具有操作简单，尺寸可控等优点，易于工业化放大和应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的首要技术问题是提供一种能够改善原有电极性能的，技术简单，成品稳定的碳基电极修饰方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极，所述成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极以碳布为基底，在碳纤维表面原位生长有针状成簇排列的聚苯胺。

一种成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极的制备方法，步骤如下：

将酒石酸溶于水中，得到酒石酸水溶液，向酒石酸水溶液中加入苯胺，得到混合液a，冰浴冷却；向混合液a中滴加过硫酸铵水溶液，得到混合液b，冰浴保温；向混合液b中放入碳布，冰浴放置；最后，取出碳布，用去离子水和有机溶剂洗涤，得到成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极。

所述混合液a中，苯胺的浓度为0.075mol/l，酒石酸与苯胺的物质的量之比为1:2～8。

制备混合液b时，所使用的过硫酸铵水溶液与混合液a的体积比为1:2，过硫酸铵水溶液的浓度为0.15mol/l。

所述的冰浴放置时间为4～48小时。

所述的有机溶剂为乙醇，甲醇，丙酮，苯，石油醚，乙酸乙酯中的任意一种。

所述的清洗次数为1～5次。

所述的成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极直接用作电极材料。

有益效果：

1.该制备方法技术简单，操作简便，原材料易得，便于实验室制备，也便于工厂进行大规模制备。

2.聚苯胺在碳布表面原位形成规则的成簇状的纳米结构，材料生物相容性更好，比表面积更大。

3.电极的尺寸和形状可以根据需求调整，适合实验室、工厂、精密仪器等不同层次的需求。

4.电极形成的微观结构令其具有更高的粗糙度和更佳的吸附性能，大大提高电化学反应速率。

5.电极非常适用于微生物燃料电池，能够大大提高电池的输出电压。

附图说明

图1为实施例1中所制备的复合电极的表征图，其中，图a为复合电极实物图；图b为复合电极的扫描电镜sem图片；图c为循环伏安图(电解液为2mol/l硫酸)，其中ta1/4是实施例中制备的成簇聚苯胺纳米纤维复合电极的循环伏安图，ctrl是普通碳布的循环伏安图；图d为成簇聚苯胺纳米纤维复合电极的红外光谱图。

图2为实施例2中所制备的复合电极的实物图(图a)和sem图(图b)。

图3为实施例1和2中制备的复合电极应用于微生物燃料电池的时间输出电压图，其中，ctrl为普通碳布电极，作为对照组；ta1/4是实施例1制备的复合电极；ta1/2是实施例2制备的复合电极。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体描述或作进一步说明，其目的在于更好的理解本发明的技术内涵，但是本发明的保护范围不限于以下的实施范围。

实施例1：

将0.113g酒石酸溶于40ml水中，室温磁力搅拌0.5h；加入苯胺273.5微升，继续搅拌30min，之后冰浴冷却10min；将过硫酸铵0.685g溶于20ml水中，冰浴10min；将过硫酸铵溶液在冰浴搅拌的条件下逐滴加入苯胺-酒石酸溶液中，之后放入碳布(1*2cm)，悬空碳布，保持碳布在水溶液中充分裸露，并停止搅拌；冰浴放置4～48h后取出碳布电极，去离子水和乙醇反复清洗1～5遍。清洗时，所述的乙醇可以用甲醇，丙酮，苯，石油醚，乙酸乙酯替代。

如图1所示，图a为复合电极实物图；由图b的sem图可看出碳纤维的表面长出了针状成簇排列的聚苯胺，形貌规则，大大提升了材料的比表面积；由图c的循环伏安图可以看出该电极材料具有聚苯胺的特征峰；由图d的红外光谱图，可以看出材料具有n-h、c-n、c-h+等聚苯胺官能团的特征吸收峰；证实了成簇聚苯胺纳米纤维复合电极材料的成功制备。

实施例2：

与实施例1基本相同，但有以下改变：酒石酸为0.226g，所得复合电极的外观图和sem扫描电镜图片如图2所示。

实施例3：

与实施例1基本相同，但有以下改变：酒石酸为0.057g，所得复合电极应用于微生物燃料电池，所得复合电极的最大输出电压达到373毫伏，同时制备的对照组普通碳布电极的mfc的最大输出电压为126毫伏，所得复合电极能够提升微生物燃料电池的产电性能。

实施例4：

将实施例1和2制备的成簇聚苯胺纳米复合电极应用于微生物燃料电池(mfcs)，其时间-输出电压曲线图如图3所示。其中，ctrl为碳布电极；ta1/4是实施例1制备的复合电极；ta1/2是实施例2制备的复合电极。

由图3可以看出，在微生物燃料电池中，对于成簇聚苯胺纳米纤维复合电极，其产电电压约为传统碳布电极的3倍，显著提升了微生物燃料电池的产电性能。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极及制备方法和用途，制备步骤如下：将酒石酸溶于水中，得到酒石酸水溶液，向酒石酸水溶液中加入苯胺，得到混合液A，冰浴冷却；向混合液A中滴加过硫酸铵水溶液，得到混合液B，冰浴保温；向混合液B中放入碳布，冰浴放置；最后，取出碳布，用去离子水和有机溶剂洗涤，得到成簇聚苯胺纳米纤维复合碳电极。本发明制备的产品聚苯胺在碳布表面原位形成规则的成簇状的纳米结构，材料生物相容性更好，比表面积更大。电极的尺寸和形状可以调整，适合实验室、工厂、精密仪器等不同的需求。电极形成的微观结构令其具有更高的粗糙度和更佳的吸附性能，大大提高电化学反应速率。

技术研发人员：雍阳春;翟丹丹;俞洋洋
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2017.02.16
技术公布日：2017.07.04