CN103950918B - 以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，包括以下步骤：（1）配制液体培养基；（2）真菌的接种与观察；（3）菌丝的分离；（4）对获得的菌丝进行热处理：将步骤（3）获得的菌丝放入坩埚，置于管式炉中，通以氮气保护，加热到500～800？℃，并保温2小时后自动降温；（5）煅烧结束后，将制备得到的石墨烯管取出冷却。本发明采用了较为简单的化学工艺制备出了石墨烯管材料，所需化学原料种类较少且无毒性，反应无需复杂的设备，成本较低，生物模板容易去除且对环境无污染，实验可重复性好，有较大的工业推广价值。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法。
背景技术
碳元素可借助不同的杂化方式由碳原子紧密排列构成的苯环结构而形成二维单层石墨烯材料，这一特征吸引着众多科学家的目光。石墨烯的基本结构单元为六元环，是最理想的二维纳米材料，垂直于石墨烯晶面方向上的π键使其具有优异的导电性能，其电子迁移率可达200000cm2/(V·s)。二维石墨烯片层能通过卷曲、堆叠形成无缝管状结构，并具有不同的管壁数以及不同尺度的管径，由石墨烯组成的圆筒状碳管是一种超轻材料，适宜加工成各种亚微米级的器件，加之本身优异的光学、导热和导电性能，可用于光化学、拉曼光谱、能源储存与转化、化学传感等诸多领域。
鉴于这类低维碳材料具有的巨大潜在应用价值，人们对其的制备研究产生了极大的兴趣，目前制备石墨烯的方法有固相法、液相法及气相法三种途径，其中气相法最为精确，然而其需要高品质的基底而导致成本过高。另外，传统的机械剥离法及外延生长等固相方法，因大多需要高定向热解石墨，且石墨片依附于固体表面导致产量低，成本高昂，都不适合大规模地生产石墨烯。现较为流行的液相法是实现石墨烯量产的有效途径，但大多液相法所使用的酸液污染严重，危险性较高，需要较高的反应温度，能耗较大。石墨烯管材料具有优异的电子迁移率、热导率和力学性能，是有望于2025年之后取代硅的新一代纳米电子材料，但低成本生产高质量且可调控的石墨烯及石墨烯管一直是工业上的难点。制备石墨烯管的方法也基本集中于电弧法、激光蒸发法及化学气相沉积法上，不但需要剧烈的反应来分解碳源，还需繁琐的步骤和复杂的工艺控制，且最后的产物常混有如无定形碳等杂质，需加以物理上的如过滤、离心等手段进一步提纯，严重阻碍了这类材料的工业化生产。
利用生物体自身蛋白引导生物大分子自组装而成的特殊结构为模板制备各种先进微纳米材料是近年来发展迅速的材料制备方法，该方法具有工序简单、成本低廉、可扩大化生产等优点。经过了十多年的发展，材料学家利用天然生物材料作为模板，制备出了各种新奇的高性能碳材料。Macedo和Barreto在2008年在CO2气氛下，以椰子纤维为模板，在800℃下煅烧，可以得到具有特殊生物形貌的粉状或者片状活性碳。2012年Zhu等在Chem.Commun杂志上报道了以豆奶为模板，合成了掺杂氮的荧光纳米点，这种新材料在氧还原反应中体现出了良好的电催化性能。因此，可以看到生物模板在制备碳材料方面有得天独厚的优势，其本身所含的蛋白质、核酸、糖类都是天然分布的碳源，只要找到适合的生物结构，并加以扩大培养，即可得到大量的优质碳材料。
真菌是分布最为广泛的一类生物，迄今被描述的真菌已达7万多种，而全球真菌种类应超过150万种。真菌具有各种特殊的形态，其中菌丝是真菌体的基本组成结构，它是由长形细胞构成的管状结构，并随着真菌种类有所不同，较适合作为制备碳类新材料。目前尚未见过关于利用真菌合成孔径可控的石墨烯管材料的相关报道。
发明内容
本发明的目的是改进现有技术制备石墨烯管方法中的不足，提供一种以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法。该制备方法成本低廉，步骤简单，避免了以往各种对设备要求较高的化学及物理制备石墨烯管法所带来的繁琐步骤和复杂工艺。本发明以菌丝作为模板，通过调控真菌的生长条件，得到大量菌丝，再由氮气保护下的高温煅烧除去模板中的杂质，从而得到成型的材料；选用不同的生长条件下的菌丝，可以得到不同孔径和管壁数的石墨烯管材料。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，包括以下步骤：
（1）配制液体培养基；将土壤样品用无菌水稀释，涂抹在固体培养基表面，经过培养，长出单个真菌菌落，即可得到真菌菌种；
（2）真菌的接种与观察：1）接种：将菌株接种到液体培养基中，然后放于温控摇床中培养。2）观察：在培养24小时之后每间隔8小时观察生长情况，确定菌体的生长期；
（3）菌丝的分离：当菌丝生长到所需孔径时，将液体培养基取出至离心管进行离心，离心后倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，并加以干燥；
（4）对获得的菌丝进行热处理：将步骤（3）获得的菌丝放入坩埚，置于管式炉中，通以氮气保护，加热到500～800℃，并保温2小时后自动降温；
（5）煅烧结束后，将制备得到的石墨烯管取出冷却。
所述步骤（1）中配置液体培养基包括如下步骤：首先将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏溶解入超纯水中，加入麦汁或马铃薯液，配成混合溶液，将混合溶液灭菌，用纱布和牛皮纸封口冷却备用。
所述步骤（1）中葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏的质量比0.25-2g：0.25-1g：0.5g：1g，加入到195ml的超纯水中，加入3ml-5ml麦汁或3ml-5ml马铃薯液。
所述步骤（2）中温控摇床的温度设为26℃~35℃，转速为100rpm。
所述步骤（3）中离心速度为3000rpm-8000rpm。
所述步骤（4）中加热为按2℃每分钟升温加热。
所述步骤（5）中煅烧结束为温度降为30℃。
本发明选取不同生长时期的真菌，可得到孔道大小不同的石墨烯管，实现了对孔道结构的调控。通过统计菌丝孔径的大小，以此来确定收获菌丝的时机。本发明使用刚进入对数生长期的菌丝作为制备单壁石墨烯管的模板，使用进入生长停滞期的菌丝作为制备多壁石墨烯管的模板，加入麦汁或者马铃薯液是促进菌丝的伸展。本发明制得有单壁石墨烯管，管径约为1μm、单壁厚度约为3nm。本发明亦制得多壁石墨烯管，管径1.2μm-1.5μm、管壁厚为2.1nm-2.5nm。
本发明的有益效果为：利用生物的纳米级自组装能力，以真菌作为碳源及模板，采用了较为简单的化学工艺制备出了石墨烯管材料，所需化学原料种类较少且无毒性，反应无需复杂的设备，成本较低，生物模板容易去除且对环境无污染，实验可重复性好，有较大的工业推广价值。
附图说明
图1为实施例1以菌丝为模板制备的石墨烯管的场发射扫描电镜图。
图2为实施例1以菌丝为模板制备的石墨烯管的透射电镜图。
图3为实施例1以菌丝为模板制备的石墨烯管的原子力显微镜图。
图4为实施例2以菌丝为模板制备的多壁石墨烯管的原子力显微镜图。
具体实施方式
下面以实施例来具体说明本发明，但不以任何形式限制本发明。
实施例1：
（1）将100g马铃薯切块，在500mL超纯水中煮30min，纱布过滤，制得马铃薯液，将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏按质量比为0.5g：1g：0.5g：1g溶解入195mL超纯水中配置成溶液加入5mL马铃薯液，灭菌，使用接种环将白地霉菌种接种到已经灭菌冷却后的液体培养基中，将盛有培养基的三角烧瓶放置于26℃的摇床上开始培养，温控摇床转速为100rpm；
（2）在先期培养的24小时内为菌种生长的停滞期，24小时之后每间隔8小时从培养基中取样，涂布到载玻片上，放置于荧光显微镜下镜检，观察菌丝厚度及管径；
（3）当菌株进入旺盛的对数生长期，荧光观察管径约为3μm时，将培养液取出，使用50mL离心管在8000转每分钟下，使用冷冻离心机进行离心，离心完毕倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，在40℃的烘箱中，干燥10小时；
（4）将第三步得到的菌丝放入坩埚，并置于管式炉中，通以氮气保护，按2℃每分钟升温至600℃，恒温反应2小时后自动降温至30℃；
（5）反应结束后，将得到的石墨烯管取出冷却，利用透射电镜和场发射扫描电镜对样品结构进行观察，并通过原子力显微镜观察所制备得的石墨烯的各层管壁。
图1是制备得到的石墨烯管的场发射扫描电镜图，图2是制备得到的石墨烯管的透射电镜图，如图1和图2所示，因热收缩，所制备得到的石墨烯管的管径约为1μm；图3是制备得的石墨烯管的原子力显微镜图，如图3所示，所制备得到的石墨烯管单壁厚度约为3nm。
实施例2：
（1）将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏按质量比为0.5g：1g：0.5g：1g溶解入245mL超纯水中配置成溶液加入5mL马铃薯液（马铃薯液的制备见实施例1），灭菌，在250mL液体培养基中加入3g琼脂，加热灭菌，并倒入培养皿冷却，凝结成固体培养基，使用接种环将白地霉菌种接种到培养基表面中，将盛有培养基的培养皿放置于26℃的培养箱中开始培养；
（2）在培养24小时之后每间隔8小时从培养基中取样，涂布到载玻片上，放置于荧光显微镜下镜检，观察菌丝厚度及管径；
（3）当菌株进入生长的停止期时，使用镊子从培养基表面撕取大量白色菌丝体，并放入坩埚；（4）将第三步得到的菌丝放入坩埚，并置于管式炉中，通以氮气保护，按2℃每分钟升温至600℃，恒温反应2小时；
（5）反应结束后，将得到的石墨烯管取出冷却。
本实施例2所得到的石墨烯管为多壁石墨烯管，管径约为1.2μm，图4是制备得的多壁石墨烯管的原子力显微镜图，如图4所示，所制备得到的石墨烯管壁是由层厚约2.1nm的石墨烯层构成。
实施例3：
（1）将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏按质量比为0.5g：1g：0.5g：1g溶解入195mL超纯水中配置成溶液加入5mL麦汁，麦汁可以从啤酒厂购买，也可以自己制作，具体自己制作为取麦芽或麦芽粉100g，加入500mL水，45℃保温30min，后逐渐升温到70度，过滤再煮沸，可得淡青色有香味的糖化麦芽汁，即为麦汁；
灭菌，加入1mL灭菌维生素C。将青霉菌菌株接种到已经灭菌冷却后的液体培养基中，将三角烧瓶在28℃摇床中培养，温控摇床转速为100rpm；
（2）在培养24小时之后每间隔8小时从培养基中取样，涂布到载玻片上，放置于荧光显微镜下镜检，观察菌丝厚度及管径；
（3）当菌株进入对数生长期时，将培养液取出，使用50mL离心管在8000转每分钟下，使用冷冻离心机进行离心，离心完毕倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，在40℃的烘箱中，干燥10小时；
（4）将第三步得到的菌丝放入坩埚，并置于管式炉中，通以氮气保护，按2℃每分钟升温至650℃，恒温反应2小时；
（5）反应结束后，将得到的石墨烯管取出冷却。
本实施例3所得到的石墨烯管为单壁石墨烯管，管径约为1μm，管壁厚度约为3nm。
实施例4：
（1）将100g马铃薯切块，在500mL超纯水中煮30min，纱布过滤，制得马铃薯液，将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏按质量比为2g：1g：0.5g：1g溶解入195mL超纯水中配置成溶液加入5mL马铃薯液，灭菌，将青霉菌菌株接种到已经灭菌冷却后的液体培养基中，将三角烧瓶在28℃摇床中培养，温控摇床转速为100rpm；
（2）在培养24小时之后每间隔8小时从培养基中取样，涂布到载玻片上，放置于荧光显微镜下镜检，观察菌丝厚度及管径；
（3）当菌株进入生长停止期时，将培养液取出，使用50mL离心管在3000转每分钟，进行离心，离心完毕倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，在40℃的烘箱中，干燥10小时；
（4）将第三步得到的菌丝放入坩埚，并置于管式炉中，通以氮气保护，按2℃每分钟升温至650℃，恒温反应2小时；
（5）反应结束后，将得到的石墨烯管取出冷却。
本实施例4所得到的石墨烯管为多壁石墨烯管，管径约为1.4μm，管壁厚度约为2.4nm。
实施例5：
（1）将100g马铃薯切块，在500mL超纯水中煮30min，纱布过滤，制得马铃薯液，将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏按质量比为0.5g：1g：0.5g：1g溶解入195mL超纯水中配置成溶液加入5mL马铃薯液，灭菌，将曲霉菌株接种到已经灭菌冷却后的液体培养基中，将三角烧瓶在32℃摇床中培养，温控摇床转速为100rpm；
（2）在培养24小时之后每间隔8小时从培养基中取样，涂布到载玻片上，放置于荧光显微镜下镜检，观察菌丝厚度及管径；
（3）当菌株进入旺盛的对数生长期时，将培养液取出，使用50mL离心管在8000转每分钟，使用冷冻离心机进行离心，离心完毕倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，在40℃的烘箱中，干燥10小时；
（4）将第三步得到的菌丝放入坩埚，并置于管式炉中，通以氮气保护，按2℃每分钟升温至650℃，恒温反应2小时；
（5）反应结束后，将得到的石墨烯管取出冷却。
本实施例5所得到的石墨烯管为单壁石墨烯管，管径约为1μm，管壁厚度约为2.9nm。
实施例6：
（1）将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏按质量比为0.25g：0.25g：0.5g：1g溶解入197mL超纯水中配置成溶液，加入实施例5中所制得的马铃薯液3mL，将曲霉菌株接种到已经灭菌冷却后的液体培养基中，将三角烧瓶在35℃摇床中培养，温控摇床转速为100rpm；
（2）在培养24小时之后每间隔8小时从培养基中取样，涂布到载玻片上，放置于荧光显微镜下镜检，观察菌丝厚度及管径；
（3）当菌株进入生长停止期时，将培养液取出，使用50mL离心管在3000转每分钟，进行离心，离心完毕倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，在40℃的烘箱中，干燥10小时；
（4）将第三步得到的菌丝放入坩埚，并置于管式炉中，通以氮气保护，按2℃每分钟升温至650℃，恒温反应2小时；
（5）反应结束后，将得到的石墨烯管取出冷却。
本实施例6所得到的石墨烯管为多壁石墨烯管，管径约为1.5μm，管壁厚度2.5nm。
以上显示和描述了本发明的主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (9)
1.以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，包括以下步骤：
（1）配制液体培养基；
（2）真菌的接种与观察：1）接种：将菌株接种到液体培养基中，然后放于温控摇床中培养；2）观察：在培养24小时之后每间隔8小时观察生长情况，确定菌体的生长期；
（3）菌丝的分离：当菌丝生长到所需孔径时，将液体培养基取出至离心管进行离心，离心后倒出上层溶液，加入超纯水，重复离心洗涤数次，在40℃的烘箱中，干燥10小时；
（4）对获得的菌丝进行热处理：将步骤（3）获得的菌丝放入坩埚，置于管式炉中，通以氮气保护，加热到500～800℃，并保温2小时后自动降温；
（5）煅烧结束后，将制备得到的石墨烯管取出冷却；
其中所述步骤（2）中菌株为白地霉菌株、青霉菌株或曲霉菌株。
2.根据权利要求1所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所述步骤（1）中配置液体培养基包括如下步骤：首先将葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏溶解入超纯水中，加入麦汁或马铃薯液，配成混合溶液，将混合溶液灭菌，用纱布和牛皮纸封口冷却备用。
3.根据权利要求2所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所述步骤（1）中葡萄糖、蛋白胨、氯化钠、酵母膏的质量比0.25-2g：0.25-1g：0.5g：1g，加入到195mL的超纯水中，加入3mL-5mL麦汁或3mL-5mL马铃薯液。
4.根据权利要求1所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所述步骤（2）中温控摇床的温度设为26℃~35℃，转速为100rpm。
5.根据权利要求1所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所述步骤（3）中离心速度为3000rpm-8000rpm。
6.根据权利要求1所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所述步骤（4）中加热为按2℃每分钟升温加热。
7.根据权利要求1所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所述步骤（5）中煅烧结束为温度降为30℃。
8.根据权利要求1所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所得的石墨烯管为管径1μm、单壁厚度3nm的单臂石墨烯管。
9.根据权利要求1所述的以菌丝为模板制备孔径可控的石墨烯管的方法，其特征在于：所得的石墨烯管为1.2μm-1.5μm管径、管壁厚为2.1nm-2.5nm的多壁石墨烯管。
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Granted publication date: 20160120 Termination date: 20190310 |