[发明专利]一种多巴胺修饰石墨烯微生物燃料电池阳极的制备方法

说明书

本发明公开了一种多巴胺修饰石墨烯微生物燃料电池阳极的制备方法。包括如下制备过程：将一定比例的多巴胺单体和氧化石墨烯分散在Tris‑Hcl缓冲液中，超声处理以获得均匀分散液。剧烈搅拌数小时，经离心洗涤干燥后得到聚多巴胺官能化的石墨烯纳米片。修饰后的石墨烯与相应的溶剂和粘接剂混合制成浆料旋涂至碳基材料，将其烘干后得到阳极。本发明制备工艺简单；所得阳极亲水性极好，有利于生物膜在电极表面的快速附着；多巴胺在聚合过程中产生氨基、儿茶酚等官能团，可在胞外电子转移过程起到中介体的作用，加快电子转移速率，从而加快电池的启动时间；氮掺杂石墨烯阳极增强了阳极与微生物的相容性，延长发电周期，极大的改善微生物燃料电池的功率密度。

技术领域

本发明属于微生物燃料电池技术领域，具体涉及一种多巴胺修饰石墨烯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(Microbial fuel cells，MFCs)，是以微生物为催化剂将废水有机质降解，从而将化学能直接转化为电能的燃料电池系统，以其绿色环保、可持续等优点，逐步成为新能源环境领域的研究热点。尽管MFCs在输出功率和效率方面的表现在不到十年的时间里已经大大增长，但与许多其他燃料电池相比，较低的输出功率和较长启动时间仍然是MFCs实际应用的瓶颈。而这些问题与很多因素有关，如从电活性细菌到电极表面的细胞外电子传递速率、有机基质的降解速率、外部操作条件等等。其中，胞外电子转移速率为主要因素，其主要受电极材料性质的影响。不同的电极材料表现出非常多样的物理和化学性质(例如，生物粘附性质，表面积，表面功能性，多孔结构，电导率和稳定性)，这反过来又影响微生物粘附、负载密度以及电极表面微生物代谢反应速率。而现有方案中生物膜与电极材料结合能力差，附着力低，有机基质的降解率低，从而导致电池启动周期长，界面电阻较大，发电功率低等问题。

因此，开发一种高效低成本以及更有利于生物膜生长的阳极，对微生物燃料电池的制作以及其产业化应用具有重大意义。

发明内容

发明目的：目前微生物燃料电池中阳极制备复杂、阳极材料生物相容性差以及有机基质降解率低，从而导致其启动时间长，发电功率低。为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多巴胺修饰石墨烯微生物燃料电池阳极的制备方法，有效解决上述问题。主要通过多巴胺对氧化石墨烯的绿色还原以及有效的氨基官能化调控，从而制备一种绿色环保、加快微生物燃料电池启动时间，有效提高其功率密度的阳极。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种聚多巴胺修饰石墨烯微生物燃料电池阳极的制备方法，由多巴胺在对氧化石墨烯进行还原的同时，并对石墨烯进行氨基官能化，使原本疏水的石墨烯变得极为亲水。在多巴胺修饰石墨烯过程中，多巴胺聚合产生氨基、醌类、儿茶酚等官能团，在胞外电子转移中可起到中介体的作用，加快胞外电子转移速率。此方法绿色环保，所制备电极生物相容性好，并且利用多巴胺自身黏附性，可使细菌更好更快的在阳极表面形成生物膜。加快电极启动时间，有效的提高胞外电子转移速率，提升电池功率密度。

本发明通过以下技术方案来实现，步骤包括：

(1)将多巴胺单体和氧化石墨烯分散在Tris-Hcl缓冲液中，超声处理1-2小时获得均匀分散液；

(2)所述分散液在氮气保护下，30-60℃恒温剧烈搅拌12-24小时，经离心洗涤干燥后得到聚多巴胺官能化的石墨烯纳米片；

(3)经聚多巴胺官能化修饰后的石墨烯纳米片与5％的聚偏氟乙烯水溶液搅拌混合1小时制成浆料旋涂至碳基材料，将其烘干后得到阳极。

上述制备过程步骤(1)中所述多巴胺单体和氧化石墨烯的质量比为0.5/1或1/1或2/1；每100mg氧化石墨烯对应的Tris-Hcl缓冲液用量为100mL。

上述制备过程步骤(1)中Tris-Hcl缓冲液的pH值为8.5，浓度为10mM。