一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体的方法技术

本发明专利技术提供了一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体的方法，属于生物电化学领域。本发明专利技术一步电沉积能够原位将氧化石墨烯还原为石墨烯，将吡咯聚合为聚吡咯，实现三维交联的石墨烯/聚吡咯复合材料修饰于碳基生物载体表面。本发明专利技术的方法不仅克服了聚吡咯和石墨烯的缺点，同时具有协同效应使两种材料产生三维交联结构，增大阴极的比表面积，提高了生物相容性，降低了电阻率，实现了提高电子传递效率的技术效果。高电子传递效率的技术效果。高电子传递效率的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体的方法


[0001]本专利技术涉及生物电化学
，尤其涉及一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体的方法。

技术介绍

[0002]生物电化学系统(BESs)是一种利用电化学活性微生物作为催化剂来催化电极表面发生氧化或还原的新型高效低耗处理体系。由于具有不需要添加额外化学催化剂、成本低等优势，且在污水处理和能源回收方面具有巨大潜力成为目前的研究热点之一。但随着BESs研究的不断深入和拓展，电极材料的性能、较小比表面积和较大电阻率成为制约其性能发挥和实际应用的瓶颈。因此，亟需开发一种高性能低成本的新型BESs电极生物载体材料。
[0003]目前，BESs应用较为广泛的为碳基电极，如碳纸、碳布、碳毡、石墨棒等，不仅成本低，而且具有良好的生物相容性高。然而未经改性的碳基电极在大型反应器中存在电子传递效率低、电阻率高等问题，因此需要对其进行进一步改性。目前已有研究表明，修饰材料中石墨烯由于具有优异的电导率和超高的比表面积，且不存在能量间隙，电子可自由移动，可以有效提高电极性能。但单独修饰石墨烯时由于较强的范德华力会导致片层之间发生团聚，并可能对微生物产生抗菌作用。导电聚合物中聚吡咯(PPy)因其具有高生物相容性、低成本和可调节的氧化还原电位在阴极复合修饰方面受到广泛关注。在吡咯的聚合过程中，一般需要额外添加氧化剂作为引发剂，已有研究表明氧化石墨烯(GO)可诱导吡咯发生聚合。当石墨烯和聚吡咯在一起复合修饰时具有良好的协同作用，聚吡咯使得石墨烯的团聚现象减少，分散更加均匀，石墨烯被聚吡咯包裹后可保护外电细菌免受石墨烯抗菌作用。
[0004]近年来，制备rGO和PPy复合材料并应用于材料领域与超级电容器领域的研究颇多，但修饰于生物载体并应用于生物电化学系统鲜有研究，且改性后生物相容性是否能得到提高未知。因此考虑其复合材料的优异性能，将其修饰于碳基电极生物载体上，应用于BESs系统阴极中，以期提高BESs系统及反硝化性能。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯碳基生物载体的方法，该方法提高了石墨烯/聚吡咯复合材料修饰于碳基生物载体上的生物相容性，并且克服了石墨烯团聚现象。本专利技术的方法不仅克服了聚吡咯和石墨烯的缺点，同时具有协同效应使两种材料产生三维交联结构，增大阴极的比表面积，提高了生物相容性，降低了电阻率，实现了提高电子传递效率的技术效果。
[0006]本专利技术一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体的方法，包括以下步骤：
[0007](1)准备氧化石墨烯/吡咯共混溶液：
[0008]向氧化石墨烯水溶液中加入盐溶液对氧化石墨烯水溶液进行分散稀释，然后进行超声处理，以消除氧化石墨烯水溶液长时间放置后底部产生的沉淀或团聚现象，得到氧化石墨烯缓冲溶液；盐溶液的加入量不做要求，其加入仅是起到分散稀释作用。
[0009]然后向氧化石墨烯缓冲溶液中加入吡咯，加热后进行超声分散并搅拌，使氧化石墨烯溶液与吡咯溶液互相混合均匀，得到氧化石墨烯/吡咯共混溶液；
[0010](2)构建三电极体系：
[0011]以碳基电极作为工作电极，铂网作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，以步骤(1)得到的氧化石墨烯/吡咯共混溶液作为电解液，构建三电极体系；
[0012](3)制备三维交联石墨烯/聚吡咯复合材料：
[0013]在室温环境中，连续搅拌条件下，通过电化学工作站启动三电极体系，一步电沉积生成所述三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体；一步电沉积能够原位将氧化石墨烯还原为石墨烯，将吡咯聚合为聚吡咯，实现三维交联的石墨烯/聚吡咯复合材料修饰于碳基生物载体表面。
[0014]优选的，步骤(1)中所述超声处理的温度为室温，频率为40kHz，时间为30
‑
60min。
[0015]优选的，步骤(1)中所述超声分散温度为40℃，频率为40kHz，时间为40
‑
60min；所述搅拌的时间为10min。
[0016]优选的，步骤(1)中所述盐溶液为PBS缓冲溶液、Na2SO4溶液、柠檬酸缓冲液、KCl溶液中的任意一种，所述盐溶液的浓度为0.1mol/L。
[0017]优选的，步骤(1)中所述氧化石墨烯/吡咯共混溶液中氧化石墨烯浓度为0.4～0.5mg/mL，吡咯浓度为0.2～0.3mol/L。
[0018]优选的，步骤(2)所述的碳基电极为碳刷、碳纸、碳毡、碳布中的任意一种。
[0019]优选的，步骤(3)中所述电化学工作站采取的方法为恒电压法、循环伏安法、恒电流法中的任意一种。
[0020]更优选的，步骤(3)中所述循环伏安法的扫描范围为
‑
1.5V～1.0V，扫描速率为10mV/s，扫描方向为正向扫描，持续扫描20圈，沉积时间为5000秒。
[0021]优选的，步骤(3)中所述连续搅拌采用磁力搅拌器进行搅拌，转速为500rpm。
[0022]本专利技术的另一目的是提供一种上述方法制备的三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯碳基生物载体的方法，本专利技术采用一步电沉积法得到的三维交联石墨烯/聚吡咯碳基生物载体，相比于未修饰生物载体，生物相容性得到显著提升，电极比表面积与电化学活性面积增大，电荷传递效率提高。
附图说明
[0024]图1为实施例1中石墨烯/聚吡咯复合修饰形成三维交联结构的沉积曲线；
[0025]图2为实施例1中碳毡电极表面的SEM照片，其中图2a为未进行修饰前的碳毡电极，图2b、2c、2d为三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳毡载体的形貌；
[0026]图3为测试例1中三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳毡载体以及未修饰碳毡载体进行循环伏安扫描时的曲线；
[0027]图4为测试例1中三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳毡生物载体的交流阻抗谱图。
具体实施方式
[0028]下面结合实施例对本专利技术作进一步说明
[0029]实施例1
[0030]一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯碳基生物载体的方法，步骤如下：
[0031](1)准备氧化石墨烯/吡咯共混溶液：
[0032]向氧化石墨烯水溶液中加入0.1mol/L的Na2SO4溶液对氧化石墨烯水溶液进行分散稀释，然后在室温下进行超声处理40min，超声的频率为40kHz，以消除氧化石墨烯水溶液长时间放置后底部产生的沉淀或团聚现象，得到氧化石墨烯缓冲溶液；
[0033]然后向氧化石墨烯缓冲溶液中加入分析纯吡咯，加热到40℃，进行超声分散40min，超声的频率为40kHz，搅拌10min，使氧化石墨烯溶液与吡咯溶液互相混合均匀，得到氧化石墨烯/吡咯共混溶液，所述氧化石墨烯/吡咯共混溶液中氧化石墨烯浓度为0.4mg本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备氧化石墨烯/吡咯共混溶液：向氧化石墨烯水溶液中加入盐溶液对氧化石墨烯水溶液进行分散稀释，然后进行超声处理，得到氧化石墨烯缓冲溶液；然后向氧化石墨烯缓冲溶液中加入吡咯，加热后进行超声分散并搅拌，使氧化石墨烯溶液与吡咯溶液互相混合均匀，得到氧化石墨烯/吡咯共混溶液；(2)构建三电极体系：以碳基电极作为工作电极，铂网作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，以步骤(1)得到的氧化石墨烯/吡咯共混溶液作为电解液，构建三电极体系；(3)制备三维交联石墨烯/聚吡咯复合材料：在室温环境中，连续搅拌条件下，通过电化学工作站启动三电极体系，一步电沉积生成所述三维交联石墨烯/聚吡咯修饰碳基生物载体。2.根据权利要求1所述的一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯的碳基生物载体的方法，其特征在于，步骤(1)中所述超声处理的温度为室温，频率为40kHz，时间为30
‑
60min。3.根据权利要求1所述的一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯的碳基生物载体的方法，其特征在于，步骤(1)中所述超声分散温度为40℃，频率为40kHz，时间为40
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60min；所述搅拌的时间为10min。4.根据权利要求1所述的一种一步电沉积制备三维交联石墨烯/聚吡咯的碳基生物载体的方法，其特征在于，步骤(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔丹，杨玥佳，王帅，陈艾宏，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：