[发明专利]一种三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料的应用

说明书

一种三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料的应用，涉及一种石墨烯/碳纳米管复合材料的应用。本发明是要解决现有的石墨烯/碳纳米管中的碳纳米管通常需要预处理，导致其成本较高的技术问题。本发明：一、制备氧化石墨烯胶体悬浮液；二、制备氨基化碳纳米管和氧化石墨烯的混合液；三、循环伏安电沉积。本发明的三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料作为生物电极应用到生物电化学系统中。本发明能够一步电沉积合成，并在生物电化学系统中用作生物阳极以改善电池电导率并增加生物量。该电极展现出具有正电荷的三维互连导电支架结构，以及良好的表面疏水性能，这有利于细菌粘附和定植。

技术领域

一种石墨烯/碳纳米管复合材料的应用。

背景技术

生物电化学系统(BESs)是使用微生物作为催化剂来实现能源可持续化和化学生产的装置，并且是同时处理废水和回收能源的理想平台。重要的是，生物电极(生物阳极和/或生物阴极)是决定系统性能和BESs成本的关键组成部分。从无孔体电极到纤维基多孔电极、颗粒电极和整体多孔电极，人们已经做了很多工作来构建不同的生物电极材料。尽管已经取得了显著的进展，但细菌在电极上的定植不足和细菌与电极之间细胞外电子转移(EET)速率缓慢仍然是阻碍BESs实际应用的主要瓶颈。

在电极材料中，碳基材料广泛用于BESs中，用于富集电活性生物膜，因为它们具有大的比表面积，高孔隙率，可调的表面性质以及良好的化学，机械和热稳定性。然而，普通的碳基电极通常会有很高的电阻，导致细胞外电子转移效率减慢。石墨烯是一种二维蜂窝状碳晶格的单层结构，是几年前发现的碳族化合物之一，由于其优良的导电性能，突破了已往碳材料高电阻的限制。它似乎是用于BESs的理想替代电极材料。然而，许多实际结果表明，纯石墨烯(主要是还原氧化石墨烯，rGO)的优势受到强烈不可逆聚集的严重限制。为了克服这一困难，人们将具有高比表面积和快速界面电荷转移的碳纳米管(CNTs)与石墨烯相结合。在rGO片间插入一维碳纳米管，可以防止石墨烯片的重新排列，并形成三维互穿网络结构。杂化CNTs@graphene虽然具有优异的性能，但CNTs通常需要预处理才能获得含氧官能团，并保持良好的分散性，导致其成本较高。

发明内容

本发明是要解决现有的石墨烯/碳纳米管中的碳纳米管通常需要预处理，导致其成本较高的技术问题，而提供一种三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料的应用。

本发明的三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料的制备方法是按以下步骤进行的：

一、将氧化石墨粉末在LiClO₄水溶液中超声剥离3h～3.5h，得到浓度为0.5g/L～0.55g/L的氧化石墨烯胶体悬浮液；所述的LiClO₄水溶液的浓度为0.1mol/L～0.12mol/L；

二、将氨基化碳纳米管(CNT-NH₂)加入步骤一的氧化石墨烯胶体悬浮液中，超声处理1h～1.5h，得到混合液；所述的混合液中氨基化碳纳米管的浓度为0.5g/L～0.55g/L；

三、以玻碳电极作为工作电极，饱和Ag/AgCl电极作为参比电极，Pt网作为对电极，步骤二的混合液为电解液，使用电化学工作站的三电极系统进行循环伏安电沉积，扫描范围为-1.5V～0.6V，扫描速率为50mV/s～55mV/s，持续20个循环，从而在玻碳电极上沉积到三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料。

本发明的三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料作为生物电极应用到生物电化学系统中。

本发明制备了一种三维多级孔洞的石墨烯/氨基化碳纳米管复合材料，能够一步电沉积合成，并在生物电化学系统中用作生物阳极以改善电池电导率并增加生物量。该电极展现出具有正电荷的三维互连导电支架结构，以及良好的表面疏水性能，这有利于细菌粘附和定植。本发明工艺简单，快速和绿色，可被用于合成“清洁”无粘合剂的电极材料。