[发明专利]一种3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极刷及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极刷及其制备方法与应用。

背景技术

扩大微生物燃料电池(MFC)的规模同时保证良好的运行效果是MFC应用于废水处理最主要的困难。MFC难以规模化的原因是功率密度太低而费用太高，电极是决定MFC功率输出和建设费用的主要因素，其中阳极是微生物生长繁殖以及胞外电子传递效率的关键，因此选用性能优秀、费用低廉的阳极材料，设计合理的阳极结构十分重要。本发明即旨在设计一种新型的可放大且费用低的高性能阳极，为MFC规模化应用于废水处理提供一种新思路。

增大微生物可利用的阳极表面积，实现有效的电流收集是设计大尺寸MFC阳极的关键。因此，从阳极结构角度看，三维结构的阳极在同样的反应器体积下能提供比二维阳极大得多的表面积，更有利于提升功率密度和节省基建费用。常用的三维阳极结构中，石墨刷电极不容易发生堵塞，比颗粒堆电极更具有优势。然而，前人研究表明，石墨刷阳极的石墨纤维在MFC运行中会聚集成丛，减小了微生物可附着的表面积，阻碍底物往石墨刷内部的扩散，不利于进一步提高阳极性能。此外，碳材料的电阻率相比金属材料高得多，将阳极扩大规模后会带来比较高的欧姆电阻，且造价相对较高。

为了解决这些问题，本发明参考石墨刷电极设计了一种不锈钢刷支架作为阳极基材及集电器，在不锈钢刷表面负载石墨烯材料从而制得一种高性能阳极。这种不锈钢刷结构与石墨刷类似，然而由于其具有很高的机械强度，不仅能在长期运行中稳定持久地负载阳极材料，而且不会发生堵塞和聚集成丛，能更有效地利用阳极材料的表面积，保证底物扩散。另外不锈钢刷具有很高的导电性，能更加有效地收集电流，大大减小阳极欧姆电阻。同时不锈钢刷还具有造价低廉、简单易得等优势，减少了电极费用。

石墨烯材料具有很高的比表面积、良好的导电性及生物相容性，是理想的MFC阳极材料。其中石墨烯氧化物不仅能促进细菌生长繁殖，还能增强细菌的胞外电子传递，具有比还原石墨烯氧化物更好的生物相容性。而相比常规石墨烯电极，3D石墨烯结构减少了石墨烯片层的堆叠，减小了石墨烯与集电器之间的电阻。因此本文提出使用冷冻干燥的方法制作3D石墨烯氧化物气凝胶负载在不锈钢刷支架上，尽量利用了石墨烯的优良性质，同时尽量缩短了电子在高电阻区域传递的距离。实际上，从宏观角度看，三维石墨烯更有利于实际应用、材料回用及大规模制备。

发明内容

为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极刷的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极刷。

本发明的再一目的在于提供上述3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极刷在微生物燃料电池阳极材料中的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极刷的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)取石墨烯氧化物粉末用去离子水进行分散，配制浓度为1～5mg mL^-1的石墨烯氧化物分散液，然后将该分散液放入超声波清洗机超声处理使其分散均匀；

(2)将三维电极刷完全浸没于步骤(1)的石墨烯氧化物分散液中，放入超声波清洗机超声处理40～80min，取出后放入烘箱，55～60℃下陈化20～24h，得到附着有石墨烯氧化物水溶胶的三维电极刷；

(3)将步骤(2)得到的附着有石墨烯氧化物水溶胶的三维电极刷立即放入液氮冷冻60～90min，然后在真空状态下-40～-60℃冷冻干燥处理2～3天，得到沉积有石墨烯氧化物气凝胶的三维电极刷，将多余的气凝胶刮除，得到3D石墨烯氧化物气凝胶修饰的三维电极刷。

所述的三维电极刷优选带有钛丝绞线刷柄的三维不锈钢刷、三维石墨刷；更优选经过预处理的不锈钢刷，所述预处理方法为：将不锈钢刷完全浸没在无水乙醇中，超声清洗30min除去不锈钢刷表面的有机物，取出后用去离子水冲洗，再浸没在去离子水中超声清洗30min，预处理完成后放入烘箱45℃烘干备用；三维电极刷的尺寸优选为直径为2cm，长度为4cm，刷柄尺寸为直径3mm，长度为3cm。

所述的石墨烯氧化物粉末由以下制备方法制备得到：