[发明专利]N杂三维泡沫石墨烯-二氧化钛微生物燃料电池电极材料及制备方法和应用

权利要求书

1.一种N杂三维泡沫石墨烯-TiO₂微生物燃料电池电极材料，其特征在于，所述电极材料的主体为三维泡沫状石墨烯层状结构，所述三维泡沫状石墨烯层状结构上负载有TiO₂微球，其中N元素以吡啶氮、吡咯氮、石墨氮中的一种或多种掺杂于三维泡沫状石墨烯层状结构上;

所述N杂三维泡沫石墨烯-TiO₂微生物燃料电池电极材料由以下方法制备：

S1：在泡沫镍基底上通过水热法碳包覆一层N杂石墨烯材料，将N原子掺杂到泡沫石墨烯上，使石墨烯π共轭电子离域，得到N杂三维泡沫石墨烯前驱体；

S2：将N杂三维泡沫石墨烯前驱体酸洗刻蚀，去除N杂三维泡沫石墨烯前驱体内部的泡沫镍基底；

S3：用聚四氟乙烯将制备好的TiO₂微球涂覆到泡沫石墨烯表面，使TiO₂纳米微球作为电催化活性部位，得到N杂三维泡沫石墨烯-TiO₂微生物燃料电池电极材料。

2.根据权利要求1所述的一种N杂三维泡沫石墨烯-TiO₂微生物燃料电池电极材料，其特征在于，所述电极材料上N元素的掺杂量为2.023-3.175wt%，TiO₂的负载量为20-30wt%。

3.一种权利要求1或2中所述微生物燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在泡沫镍基底上通过水热法碳包覆一层N杂石墨烯材料，将N原子掺杂到泡沫石墨烯上，使石墨烯π共轭电子离域，得到N杂三维泡沫石墨烯前驱体；

S2：将N杂三维泡沫石墨烯前驱体酸洗刻蚀，去除N杂三维泡沫石墨烯前驱体内部的泡沫镍基底；

S3：用聚四氟乙烯将制备好的TiO₂微球涂覆到泡沫石墨烯表面，使TiO₂纳米微球作为电催化活性部位，得到N杂三维泡沫石墨烯-TiO₂微生物燃料电池电极材料。

4.根据权利要求3所述的一种微生物燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，所述TiO₂微球的制备过程为：

A1：将表面活性剂溶于无水乙醇中搅匀，再将NaCl溶液和钛酸四丁酯加入到溶剂中常温搅拌30~40min，静置18~20h，用无水乙醇和去离子水洗涤，烘干，得到TiO₂微球前驱体；

A2：将所述TiO₂微球前驱体加入乙醇溶液中，倒入水热反应釜中进行水热反应，将反应产物通过乙醇溶液洗涤，烘干，研磨，之后放在马弗炉中煅烧，得到TiO₂微球。

5.根据权利要求4所述的一种微生物燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，S1中所述泡沫镍基底材料的制备过程为：

B1：将泡沫镍裁剪成小块，将裁剪好的泡沫镍放进稀盐酸中浸泡10~15min；

B2：之后将浸泡后的泡沫镍用去离子水和无水乙醇分别超声清洗3~5min，洗去泡沫镍表面的金属氧化层和油污，在60~80℃下真空干燥6~10h，得到泡沫石墨烯的基底材料。

6.根据权利要求5所述的一种微生物燃料电池电极材料的制备方法，其特征在于，S1中所述水热反应过程为：

C1：将葡萄糖和氮源加入到去离子水中配制前驱体溶液；

C2：将干燥后的泡沫镍基底材料放入反应釜中，倒入配制好的前驱体溶液使其没过泡沫镍基底材料；

C3：使泡沫镍基底材料在160~180℃下水热碳包覆9~10h，反应完后自然冷却至室温，得到碳包覆的泡沫镍，将取出的碳包覆的泡沫镍用去离子水清洗后干燥，在N₂气氛下煅烧，得到N杂三维泡沫石墨烯前驱体。