[实用新型]一种表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶电极

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种电极，特别是一种表面钛/氮掺杂介孔石墨烯气凝胶电极。

背景技术

随着世界人口数的持续增加，人类日益受到能源资源不足以及环境恶化的影响， 因此开发新能源得到广泛的重视，而利用可再生的生物质能发电是一种有效的手段。微生 物燃料电池(Microbialfuelcells，MFC)作为一种利用微生物代谢产生电能的新方法，近 年来受到更多人们的关注。它是一种利用微生物作为催化剂将化学能转变为电能的装置， 微生物可以代谢有机物质，同时产生电能。但是，现有的微生物燃料电池普遍具有产电量低 的缺点；同时现有技术中的阳极表面积一般较小，不利于微生物的大量附着，且催化效能适 用面窄；现有技术中多采用铂作为阴极催化剂，虽然催化效果好，但是过于昂贵。

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的在于：针对上述存在的问题，提供一种电极表面活化 面积较大，增大微生物与电极表面间的静电作用，增加微生物吸附性，催化性能好，从而提 高电量产量，并降低生产成本的一种表面钛/氮掺杂介孔石墨烯气凝胶电极。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型的一种表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶电极，通过以下步骤制备而 成：

步骤一：按浓硫酸：石墨粉：硝酸钠质量比65:1：0.6在冰浴的条件下向浓硫酸中加 入石墨粉和硝酸钠，搅拌溶解30min后，按照石墨粉：高锰酸钾质量比1:5，向混合溶液中加 入高锰酸钾，搅拌10h后，按照浓硫酸：去离子水体积比1：1向混合溶液中加入去离子水，将 混合物置于真空度为0.93的条件下，按照1.2℃/h的速率缓慢升温至52℃，保持52℃恒温继 续搅拌22h后，按照浓硫酸比双氧水体积比1:0.1向混合溶液中加入双氧水，在52℃温度下 搅拌2.5h后离心，将固液分离取固体，固体分别用5%的稀盐酸和去离子水冲洗，干燥后得到 氧化石墨烯；

步骤二：用去离子水将氧化石墨烯配置成浓度为1.3mg/mL的溶液，按照质量比8:1 向溶液中加入四氮化三钛，在室温超声2h后，微波反应100W的条件下反应10min后，将混合 溶液置于聚四氟乙烯内衬的热反应釜中，充入氩气作为保护气后密封，抽真空达到真空度 0.8，升温至180℃反应36h，在氩气保护气存在下冷却至常温，制得表面钛／氮掺杂介孔石墨 烯气凝胶。

由于采用了上述技术方案，三维石墨烯导电性好，生物相容性高，容易形成三维多 孔的气凝胶结构，钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶具有亲水性表面，降低了氧化石墨烯表面疏 水性，电解液更容易浸润，导电性较好，提高了其在阳极电解液中的反应活性面积。

本实用新型的一种表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶电极，所述表面钛／氮掺杂介 孔石墨烯气凝胶电极具有三维网状多孔结构，孔径大小为9μm。

由于采用了上述技术方案，电极表面活化面积较大，增大微生物与电极表面间的 静电作用，增加微生物吸附性，催化性能好；三维网状结构不会出现崩解现象；孔径大小为9 μm，适合细菌进入。

本实用新型的一种表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气凝胶电极，该电极应用于基于对 氧化三甲胺介质的微生物燃料电池的方法，所述基于对氧化三甲胺介质的微生物燃料电池 包括设置在外壳内的反应器和设置在外壳外的电池正极和电池负极，所述电池正极的底部 连接于反应器的一端；所述电池负极的底部连接于反应器的另一端；所述反应器包括密封 壳和设置在密封壳内的阳极和阴极，所述阳极和阴极表面附着有微生物，所述阳极与阴极 之间设有离子交换膜，所述阳极与电池正极相连，所述阴极与电池负极相连，所述密封壳内 充满介质；所述外壳与密封壳之间充满填充介质；所述阳极为表面钛／氮掺杂介孔石墨烯气 凝胶，所述阴极为VO₂/S-AC泡沫镍空气阴极；所述微生物为腐败希瓦氏菌，所述介质为对氧 化三甲胺。

由于采用了上述技术方案，离子交换膜将反应器分隔成为阳极室和阴极室，在阳 极室厌氧环境下，氧化三甲胺腐败希瓦氏菌的作用下，降解产生三甲胺，进而生成二甲胺和 甲醛等，阴极室中的氧气在阴极的催化作用下，得到电子被还原与质子结合成水，反应器产 生电能，通过连接电池正极和电池负极即可形成回路，将反应器产生的电能释放。