II的時(shí)間電流曲線圖
[0060]圖5為對比實(shí)施例1II制備的對比電極III的時(shí)間電流曲線圖
[0061]圖2?圖5中，箭頭左邊代表電極吸附微生物形成微生物膜后的時(shí)間電流曲線，箭頭右邊代表去除微生物膜后的時(shí)間電流曲線；由圖2?圖5可知，圖2中實(shí)施實(shí)例1制備的電極A的電流密度達(dá)到了 1.9mA cm2，而且去除微生物膜后，電流密度能夠回復(fù)到原始的數(shù)值；圖3中的對比電極I在去除微生物膜后，電流密度只有1.25mA cm 2，無法回到初始1.92mA cm2的電流值，說明電極的修飾層不穩(wěn)定，發(fā)生了部分脫落；圖4中的對比電極II產(chǎn)生的電流只有0.9mA cm2，遠(yuǎn)低于實(shí)施實(shí)例電極A的電流密度，說明電極的生物附著性能低；圖5中的對比電極III的時(shí)間電流曲線是雜亂的，說明電極產(chǎn)生了腐蝕。
[0062]驗(yàn)證試驗(yàn)2:
[0063]將純的未經(jīng)過任何處理的不銹鋼材料作為對照電極a，按照驗(yàn)證試驗(yàn)1的方法進(jìn)行產(chǎn)電測試后，對照電極上生長了微生物膜；同時(shí)將經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)1進(jìn)行產(chǎn)電測試后生長了微生物膜的對比電極I和電極A按照文獻(xiàn)【HE et al, B1resour.Technol.2011, 102, 10763】公開的方法，米用掃描電子顯微鏡觀察微生物膜形貌，由圖6可知，生長在實(shí)施例1制備的電極A上的生物膜厚度達(dá)到了 20微米，大于對照電極a以及對比電極I上的生物膜厚度，說明實(shí)施例1制備的電極A具有更優(yōu)異的微生物膜附著性能。
[0064]驗(yàn)證試驗(yàn)3:
[0065]將純的未經(jīng)過任何處理的不銹鋼作為對照電極a，實(shí)施例1步驟1經(jīng)過酸處理的不銹鋼作為對照電極b，以及對比實(shí)施例1的電極I和實(shí)施例1制備的電極A采用恒電位儀(型號B1-logic, VMP3)做交流阻抗分析(EIS)，記錄的EIS圖譜如圖7所示:由圖7的EIS譜圖可知，實(shí)施例1制備的電極A具有較低的內(nèi)阻，甚至小于對照電極a的內(nèi)阻，說明電極的電阻小、具有較好的導(dǎo)電性。
[0066]驗(yàn)證試驗(yàn)4:
[0067]將實(shí)施例1步驟1經(jīng)過酸處理后不銹鋼作為對照電極b，同時(shí)將對比實(shí)施例1、2、3制備的對比電極1、對比電極I1、對比電極III和實(shí)施例1制備的電極A采用儀器型號為PHI Quantera SXM?的儀器測量X射線光電能譜(XPS)，記錄的光譜圖如圖8所示，由圖8可知，(a)單質(zhì)鐵在熱處理后轉(zhuǎn)變成了鐵氧化物，如圖8-C所示；(b)實(shí)施例1制備的電極A表面的Cr元素的含量大降低了，如圖8-A所示。
[0068]驗(yàn)證試驗(yàn)5:
[0069]將實(shí)施例1步驟1經(jīng)過酸處理不銹鋼，300°C下焙燒熱處理20min的不銹鋼，400°C下焙燒熱處理20min的不銹鋼，500°C下焙燒熱處理2min的不銹鋼，400 °C下焙燒熱處理40min的不銹鋼，500°C下焙燒熱處理20min的不銹鋼，600°C下焙燒熱處理2min的不銹鋼，米用儀器LabRAM Aramis (型號Horiba Jobin Yvon S.A.S，光速波長為633nm)測量其Raman光譜圖，如圖9所示，以驗(yàn)證不同熱處理下，不銹鋼表面的產(chǎn)物成分。
[0070]由圖9的Raman光譜圖可知，在最佳處理溫度300?500°C下(如圖9_B，9_C和9-D)，不銹鋼表面生成的成分主要是鐵氧化物Fe304或Fe 304和y_Fe 203的復(fù)合物(信號位置610?665cm ，而且信號比較弱，說明產(chǎn)物量較少；而當(dāng)處理溫度過高和時(shí)間過長時(shí)(如圖9-E，9-F和9-G)，主要產(chǎn)物是a -Fe203 (信號位置223，291，409，613cm ')，峰的強(qiáng)度比較大，說明生成的氧化物的量比較大。
[0071]上述實(shí)例只是為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思以及技術(shù)特點(diǎn)，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種不銹鋼微生物電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 將經(jīng)過酸處理后具有粗糙表面的不銹鋼材料浸泡于納米碳材料分散液中，不銹鋼材料通過浸泡、烘干的方法吸附納米碳材料后形成納米碳-不銹鋼復(fù)合材料；所述的納米碳-不銹鋼復(fù)合材料經(jīng)過熱處理后形成所述的不銹鋼微生物電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制備方法具體為: (1)不銹鋼材料表面酸處理:將不銹鋼材料放入酸溶液中浸泡1?8h進(jìn)行表面處理，處理后的不銹鋼材料具有粗糙的表面； (2)制備納米碳材料分散液:將納米碳材料均勾分散于分散介質(zhì)中形成均一的納米碳材料分散液；所述納米碳材料分散液中，每升分散介質(zhì)中均勻分散0.5?20g納米碳材料； (3)制備納米碳-不銹鋼復(fù)合材料:將步驟(1)經(jīng)過酸處理后得到的不銹鋼材料浸泡于步驟(2)得到的納米碳材料分散液中，浸泡1?20min后取出，在常溫、常壓下烘干1?2h，重復(fù)操作3次所述的浸泡、烘干過程后，得到納米碳-不銹鋼復(fù)合材料； (4)熱處理納米碳-不銹鋼復(fù)合材料:將步驟(3)中得到的納米碳-不銹鋼復(fù)合材料在正常大氣壓強(qiáng)、空氣中、300?600°C的條件下焙燒1?30min ;所述的納米碳-不銹鋼復(fù)合材料經(jīng)熱處理后，不銹鋼材料的表面原位形成鐵氧化物Fe304或Fe 304和γ -Fe 203，鐵氧化物與納米碳材料結(jié)合后在不銹鋼材料表層形成修飾層，從而制備成所述的不銹鋼微生物電極。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(1)中，所述的酸溶液為鹽酸、硫酸或者磷酸的水溶液，所述的鹽酸水溶液中，鹽酸的摩爾濃度0.1?4mol/L ;所述的硫酸水溶液中，硫酸的摩爾濃度為0.1?2mol/L ;所述的磷酸水溶液中，磷酸的摩爾濃度為0.1?2mol/L。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(1)中，所述的納米碳材料為炭黑、碳納米管或者石墨烯中的任意一種；所述的分散介質(zhì)為水或乙醇。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(4)中，所述的熱處理的溫度越高，處理的時(shí)間越短；溫度為300?400°C時(shí)，處理時(shí)間為20?30min ;溫度為400?500°C時(shí)，處理時(shí)間為2?20min ;溫度為500?600 °C時(shí)，處理時(shí)間為1?2min。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(4)中，所述的溫度為300?400°C時(shí)，處理時(shí)間為20?30min。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(4)中，所述的溫度為400?500°C時(shí)，處理時(shí)間為2?20min。8.一種不銹鋼微生物電極，其特征在于，按照權(quán)利要求1?7任一項(xiàng)所述的方法制備而成的。9.一種權(quán)利要求8所述不銹鋼微生物電極的應(yīng)用，其特征在于，所述的不銹鋼微生物電極主要用于微生物電化學(xué)系統(tǒng)的生物電極。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述的生物電極為生物陽極和/或生物陰極。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種不銹鋼微生物電極及其制備方法和應(yīng)用，將經(jīng)酸處理后具粗糙表面的不銹鋼材料浸泡于納米碳材料分散液中，不銹鋼材料通過浸泡、烘干的方法吸附納米碳材料后形成納米碳-不銹鋼復(fù)合材料。納米碳-不銹鋼復(fù)合材料經(jīng)過熱處理后形成不銹鋼微生物電極；該電極用于微生物電化學(xué)系統(tǒng)的生物電極。本發(fā)明方法，在保證不銹鋼材料具有足夠耐腐蝕性能下提高了納米碳材料與不銹鋼材料表面的相互作用力；納米碳材料在不銹鋼材料表面形成表面修飾層，降低了Cr元素的含量，緩解甚至消除了Cr元對微生物生長的抑制作用，提高了電極對微生物的附著性，降低了電極內(nèi)阻。制備的電極性能穩(wěn)定，具有優(yōu)異電化學(xué)性能，和優(yōu)異的耐腐蝕性、微生物附著性。
【IPC分類】H01M4/88, H01M4/86
【公開號】CN105355931
【申請?zhí)枴緾N201510897119
【發(fā)明人】陳水亮, 侯豪情, 鄭蘇琪
【申請人】江西師范大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年12月8日