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摘要本实验通过活性石墨碳材料氧化石墨烯（GO）与氮掺杂剂尿素以水热法合成氮掺杂石墨烯（NG），并通过低成本的电聚合方法以石墨毡（GF）为基体将制备所得NG与聚苯胺（PANi）合成PANi/NG复合电极。场发射扫描电子显微镜（FESEM）测试结果表明PANi/NG复合物成功附着在石墨毡的表面上，并且PANi/NG修饰石墨毡电极的电化学活性有显著提高。硝基酚体系中的循环伏安测试（CV）结果证实了PANi/NG修饰石墨毡电极对硝基化合物的具有更好的还原能力，也表明了PANi/NG复合电极实际应用于生物电化学系统（BES）中处理废水的潜能。33375
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关键词 氮掺杂石墨烯 聚苯胺 电极改性 生物电化学系统
毕业论文设计说明书外文摘要
Title Study of nitrogen-doped graphene modified electrode in bioelectrochemical systems
Abstract
In the present study, non-precious nitrogen-doped graphene (NG) was prepared from a reactive graphitic carbon template (e.g. graphene oxide, GO) and nitrogen precursor (e.g. urea) in a low temperature wet chemical way. The as-prepared NG nanosheets were introduced into polyaniline (PANi)/NG composite for graphite felt (GF) modification via a convenient and low-cost electropolymerization method. Field Emission scanning electron microscope demonstrated that PANi/NG composite was successfully coated onto the GF surface. The electrochemical activity of the PANi/NG modified GF electrode was significantly improved after modification. Cyclic voltammetry tests of PANi/NG modified GF electrode in nitrophenol solution confirmed its superior nitro-reduction performance, which suggested that PANi/GO modified GF electrode had a promising potential in the BES application for the wastewater treatment.
Keywords Nitrogen-doped graphene Polyaniline Electrode modification Bioelectrochemical systems
目 次
1 引言 1
1.1 生物电化学系统简介 1
1.2 阴极材料概述 1
1.3 NG的研究现状 2
1.4 研究课题的提出与内容 3
2 实验材料与方法 4
2.1 实验仪器与药品 4
2.2 实验方法 4
2.3 实验表征方法 6
3 结果与讨论 8
3.1 NG的表征 8
3.2 电极的表征 10
3.3 电化学应用及其表征 13
结论 14
致谢 15
参考文献16
1 引言
1.1 生物电化学系统简介
生物电化学系统(Bioelectrochemical system，BES)是微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)和微生物电解电池(Microbial electrolysis cell，MEC)的统称，是利用微生物将生物质能直接转化为电能的新兴技术，具有清洁、可持续等诸多优点，在污染物的降解、污染场地的修复、生物传感器、海水淡化、有价产品制备与清洁能源产出等方面展示着广阔的应用前景，近年来被逐渐应用于废水处理的研究[1]。
在BES中，阴极通过消耗阳极来的电子催化还原O2，还原的效率决定了电池的产电性能，然而现有的阴极催化剂多为价格昂贵且稀有的铂或铂基材料，无法大量投入实际生产应用。因此，寻找高性能、低成本的新型BESs阴极催化剂成为了当前人们关注的热点。近年来，石墨烯作为一种新型材料走入人们的视野中，根据现有的研究报道可以发现，通过将石墨烯基材料修饰在电极表面上可以有效催化阴极的还原反应，从而提高MFC的产电性能。
1.2 阴极材料概述
1.2.1 贵金属材料
目前报道最多的研究通常是在碳纸、碳布、碳毡或石墨基底上负载高活性贵金属铂作为阴极材料[2]，铂金属可将氧气通过4电子反应途径快速、高效的还原成水，避免2电子反应途径中间过程过氧化氢(H2O2)的生成，使燃料电池的阴极处于较高的电位，进而提高整个燃料电池的产电性能。但铂属于含量较少的贵金属，价格昂贵，限制了其在MFCs中的应用。