[发明专利]一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法

说明书

本发明属于生物电化学领域，尤其涉及一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法。本发明步骤(1)中得到的羧基碳纳米管和羧基碳纤维带负电，有利于提高其静电吸附功能；步骤(5)中通过高温碳化多层结构中的聚电解质，提高了阳极的结构稳定性和导电性能。本发明大幅度提高了可供微生物附着的电极表面积，降低了电极的内阻，并提高了电子转移效率；制备过程中所用的试剂可循环使用，节能环保；方法简单易行，成本低廉。

技术领域

本发明属于生物电化学领域，尤其涉及一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法。

背景技术

目前，化石燃料的枯竭和环境污染是对人类可持续发展构成巨大威胁的两个重要因素，而生物电化学系统不仅可以有效解决环境污染，还可以将废水转换为电能，是可以同时解决这两个问题的独特系统。碳纤维是生物电化学系统中常用的阳极材料。但是，碳纤维的低比表面积导致微生物附着数量不足，而内阻较大则严重降低了电子转移效率。

现有常用的处理方式为化学沉积法(CVD)，通过化学方法先在碳纤维表面沉积金属催化剂，通过乙烯或者乙炔气体，在无氧状况下高温碳化，在碳纤维上沉积碳纳米管，该方法工艺复杂，耗能大，且只能处理小面积的碳纤维，无法实现大面积碳纤维的处理。

因此，如何用一种简单易行的办法来制备高比表面积、低内阻的阳极则成为生物电化学系统需要解决的关键问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种利用碳纳米管和碳纤维、采用类似于层层焊接的方式制备生物电化学系统阳极的方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种利用碳纳米管和碳纤维制备生物电化学系统阳极的方法，步骤如下：

(1)将碳纳米管和碳纤维分别浸入酸混合液中2-5h，得到羧基碳纳米管分散液和羧基碳纤维；

(2)将步骤(1)的羧基碳纤维浸入带正电的聚电解质水溶液中6-20min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在羧基碳纤维上组装上带正电的聚电解质层；

(3)将经过步骤(2)处理后的羧基碳纤维浸入步骤(1)得到的羧基碳纳米管分散中6-20min，用去离子水洗去未吸收的，经吹干后，在带正电的聚电解质上组装上带负电的羧基碳纳米管层；

(4)将步骤(2)和步骤(3)交替进行2-50次，经过层层组装，在碳纤维基底上得到聚电解质/碳纳米管交替叠加的多层结构；

(5)在300-800cm³/min稳定的氩气流保护下，将步骤(4)的多层结构置入管式炉中，按1-80℃/min的加热速率加热至300-2200℃，保持加热0.5-6h，冷却至20-25℃，即得生物电化学系统阳极。

进一步，步骤(1)中，所述的碳纤维为碳纸、碳毡、碳刷或碳布；所述的酸混合液为浓硝酸和浓硫酸按照体积比1:(1-7)混合。

更进一步，所述的浓硝酸浓度为≥60wt％；所述的浓硫酸浓度为≥95wt％。

进一步，步骤(1)中，碳纳米管与酸混合液的用量比为1mg：(0.1-10)mL；碳纤维与酸混合液的用量比为1mg：(0.1-10)mL。

进一步，步骤(1)中，所得羧基碳纳米管分散液的浓度为0.02-1.0mg/mL。

进一步，步骤(2)中，所述的聚电解质为重均分子量4000-100000的聚乙烯亚胺。

进一步，所述的聚电解质水溶液浓度为1-50mg/mL。

本发明的有益效果是：