CN105664991A - 一种高效杀菌剂银/石墨相氮化碳复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效杀菌剂银/石墨相氮化碳复合材料的制备方法，首先利用三聚氰胺制备石墨相氮化碳，然后将硝酸银溶液加入石墨相氮化碳分散液中，将得到混合液置于磁力搅拌器上搅拌2h，然后在300W的氙灯下照射2h，再将得到的悬浮液经分离、洗涤、干燥，制得银/石墨相氮化碳复合材料。本发明的优点和有益效果是：与传统的杀菌剂相比，本发明制备的Ag/g-C3N4没有杀菌副产物及细菌耐药性等问题，与纯g-C3N4相比，其在可见光照射下具有较强的杀菌能力，因此其具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及可见光光催化杀菌纳米材料的制备技术，具体地说是一种高效杀菌剂银/石墨相氮化碳复合材料的制备方法。
背景技术
微生物污染是自人类社会诞生以来一直存在着的威胁。许多种类的微生物能够引起人体严重的感染甚至死亡。因此，开发高效、低成本和环保的杀菌剂是十分必要的。自1985年铂掺杂TiO2的杀菌能力首次报道以来，光催化杀菌引起了人们广泛的关注，被认为是一种有前途的杀菌过程。氯气消毒能够产生消毒副产物，并且有些种类的细菌比如鸟型结核分支杆菌不能被氯气杀死，因此其不是一种环保和可持续的消毒技术。另外，紫外光不能有效地杀死一些紫外抵抗细菌，直接使用紫外造成的危害从一定程度上限制其实际应用。在光催化剂的促进作用下，，与传统的杀菌方法如氯化和紫外相比，太阳光光催化灭菌技术被认为是理想的杀菌替代技术。目前，开发高效、低成本、环保的可见光响应的光催化剂仍然是较大的挑战。为了达到预期效果，理想的光催化剂应该有较高的光和化学稳定性，在整个太阳光范围内都有吸收，较低的光生电子和空穴的结合率，简单的制备方法。类石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型的不含金属的聚合物光催化剂，其带隙能为2.7eV。g-C3N4有较好的可见光光催化制氢和氧的性能。由于其较高的稳定性，容易批量合成，较低的成本和优良的吸光性能，g-C3N4在光解水和环境净化领域得到了广泛的关注。然而，由于其较快的光生电子和空穴复合率，较低的可见光利用效率和较小的比表面积，纯的g-C3N4的光催化效率受到了一定程度的限制。
通过与贵金属(银、金和铂等)，其光催化性能可以得到极大的提高。等离子体掺杂光催化剂结合了半导体和贵金属的优势于一体，因此，其得到了广泛的关注。贵金属的表面等离子体效应(SPR)能够提高光生电子和空穴的分离效率，拓宽光催化材料在可见光的吸光范围。尽管g-C3N4表现出一定程度的光催化杀菌性能，但其杀菌效果仍然有待提高。本发明利用三聚氰胺热聚合和光还原沉积纳米银制备出Ag/g-C3N4，由于纳米银的SPR效应及其与g-C3N4的掺杂效应，Ag/g-C3N4表现出比纯g-C3N4更强的大肠杆菌杀菌能力。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种高效杀菌剂银/石墨相氮化碳复合材料的制备方法，与纯g-C3N4相比，该方法制备的Ag/g-C3N4表现出对大肠杆菌更高的杀菌效果，没有杀菌副产物及细菌耐药性等问题。
本发明的技术方案：
一种高效杀菌剂银/石墨相氮化碳复合材料的制备方法，步骤如下：
(一)石墨相氮化碳(g-C3N4)的制备
1)将三聚氰胺转入到带盖坩埚中，以2.3℃/min的升温速率升温至550℃，保持4h，待冷却至室温后，将所得黄色粉末在玛瑙研钵中磨碎，所得产物为多层g-C3N4；
2)将上述多层g-C3N4加入乙醇水溶液中得到混合液，多层g-C3N4与乙醇水溶液的用量比为1.5g：450mL，乙醇水溶液中无水乙醇和去离子水的体积比为3:1，将上述混合液超声10h，然后将所得黄色悬浮液在3000r/min下离心10min以去除未被剥离的g-C3N4颗粒，再将所得乳白色悬浮液在10000r/min下离心5min，将得到的沉淀物在80℃下干燥24h，制得石墨相氮化碳(g-C3N4)；
(二)银/石墨相氮化碳复合材料(Ag/g-C3N4)的制备
1)将上述g-C3N4加入到去离子水中，g-C3N4与去离子水的用量比为0.5g：15mL，超声30min使其完全分散，得到g-C3N4分散液；
2)将5mL不同浓度的硝酸银溶液入到上述15mLg-C3N4分散液中，硝酸银溶液与g-C3N4分散液的用量比为5mL：15mL，所述硝酸银溶液的浓度分别为0.79、1.57、3.15、4.72、6.30、7.87mg/mL，从而合成出不同质量比例的Ag/g-C3N4混合液，相应Ag/g-C3N4混合液的质量百分比分别为0.5、1、2、3、4、5wt％，分别简称Ag(0.5)/g-C3N4、Ag(1)/g-C3N4、Ag(2)/g-C3N4、Ag(3)/g-C3N4、Ag(4)/g-C3N4、Ag(5)/g-C3N4混合液；
3)将上述混合液分别置于磁力搅拌器上搅拌2h，然后在300W的氙灯下照射2h，得到悬浮液；
4)将上述所得悬浮液分别在10000r/min下离心3min，然后依次用无水乙醇和去离子水洗涤至完全去除残余银离子，将洗涤后的产物在80℃下干燥24h，制得银/石墨相氮化碳复合材料。
本发明的优点和有益效果是：
与传统的杀菌剂相比，本发明制备的Ag/g-C3N4没有杀菌副产物及细菌耐药性等问题，与纯g-C3N4相比，其在可见光照射下具有较强的杀菌能力，因此其具有很好的应用前景。
附图说明
图1为光催化材料的透射电子显微镜图片，其中：(a)g-C3N4,(b)Ag(1)/g-C3N4,(c)Ag(3)/g-C3N4,(d)Ag(5)/g-C3N4。
图2为光催化材料的紫外可见漫反射光谱。
图3为光催化材料对大肠杆菌的杀菌效果，其中：(a)黑暗，(b)光照。
图4为大肠杆菌在灭菌结束后的扫描电子显微镜图片，其中：(a)0min,(b)30min,(c)45min,(d)60min,(e)75min,(f)90min。
图5为光致发光，光电流，交流阻抗和莫特-肖特基谱图，其中：(a)g-C3N4和Ag/g-C3N4的光致发光光谱,(b)光电流谱图,(c)交流阻抗谱图,(d)莫特-肖特基谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明所述的Ag/g-C3N4的制备以及效果。同时说明，这些实施案例所叙述的技术内容是说明性的，而不是限定性的，不应依此来局限本发明的保护范围。
实施例：
一种高效杀菌剂银/石墨相氮化碳复合材料的制备方法，步骤如下：
(一)石墨相氮化碳(g-C3N4)的制备
1)将三聚氰胺转入到带盖坩埚中，以2.3℃/min的升温速率升温至550℃，保持4h，待冷却至室温后，将所得黄色粉末在玛瑙研钵中磨碎，所得产物为多层g-C3N4；
2)将上述1.5g多层g-C3N4加入450mL乙醇水溶液中得到混合液，乙醇水溶液中无水乙醇和去离子水的体积比为3:1，将上述混合液超声10h，然后将所得黄色悬浮液在3000r/min下离心10min以去除未被剥离的g-C3N4颗粒，再将所得乳白色悬浮液在10000r/min下离心5min，将得到的沉淀物在80℃下干燥24h，制得石墨相氮化碳(g-C3N4)；
(二)银/石墨相氮化碳复合材料(Ag/g-C3N4)的制备
1)将上述0.5gg-C3N4加入到15mL去离子水中，超声30min使其完全分散，得到g-C3N4分散液；
2)将5mL不同浓度的硝酸银溶液入到上述15mLg-C3N4分散液中，硝酸银溶液与g-C3N4分散液的用量比为5mL：15mL，所述硝酸银溶液的浓度分别为0.79、1.57、3.15、4.72、6.30、7.87mg/mL，从而合成出不同质量比例的Ag/g-C3N4混合液，相应Ag/g-C3N4混合液的质量百分比分别为0.5、1、2、3、4、5wt％，分别简称Ag(0.5)/g-C3N4、Ag(1)/g-C3N4、Ag(2)/g-C3N4、Ag(3)/g-C3N4、Ag(4)/g-C3N4、Ag(5)/g-C3N4混合液；
3)将上述混合液分别置于磁力搅拌器上搅拌2h，然后在300W的氙灯下照射2h，得到悬浮液；
4)将上述所得悬浮液分别在10000r/min下离心3min，然后依次用无水乙醇和去离子水洗涤至完全去除残余银离子，将洗涤后的产物在80℃下干燥24h，制得银/石墨相氮化碳复合材料。
图1为光催化材料的透射电子显微镜图片，其中：(a)g-C3N4,(b)Ag(1)/g-C3N4,(c)Ag(3)/g-C3N4,(d)Ag(5)/g-C3N4。如图1所示，合成的g-C3N4的形貌为类石墨烯的片状，Ag(1)/g-C3N4表面没有观察到纳米银颗粒，随着负载银量的提高，在Ag(3)/g-C3N4和Ag(5)/g-C3N4表面观察到了纳米银颗粒的存在。
图2为光催化材料的紫外可见漫反射光谱。如图2所示，负载纳米银后，g-C3N4在可见光范围的吸收强度得以增强。
所制得的Ag/g-C3N4复合材料的灭菌方法，步骤如下：
1)将大肠杆菌接种在LB液体培养基中，在37℃下培养15h至对数期，产生的细菌浓度为109CFU/mL；
2)取对数期菌液2mL，5000r/min离心10min,用0.85wt％的生理盐水洗涤3次；
3)将109CFU/mL的细菌菌液用0.85wt％的生理盐水进行梯度稀释，选取浓度为107CFU/mL的菌液作为灭菌实验菌液浓度；
4)向50mL离心管中加入10mL稀释后的菌液，和250μLAg/g-C3N4，材料浓度为100μg/mL；
5)将混合液置于磁力搅拌器上，在带有紫外滤光片的300W氙灯下照射；
6)在一定时间间隔30、60、75、90min取0.5mL上述混合液，用0.85wt％的生理盐水将其稀释至CFU为10-103/mL，取1mL稀释后的上清液转移至培养平板上，然后倒入10mL的LB琼脂培养基，在37℃下培养24h后进行菌落计数。
LB液体培养基的配制方法：
分别称取10g蛋白胨，5g氯化钠，3g牛肉粉，0.3g无水碳酸钠，溶解于1000mL超纯水中，分装于大试管中，于121℃下高压灭菌15min。
LB琼脂培养基的配制方法：
分别称取10g蛋白胨，3g牛肉粉，15g琼脂，5g氯化钠，0.3g无水碳酸钠，溶解于1000mL超纯水中，分装于250mL三角烧瓶中，于121℃下高压灭菌30min。
图3为光催化材料对大肠杆菌的杀菌效果，其中：(a)黑暗，(b)光照。如图3所示，在黑暗条件下，所有的材料都表现出可忽略的杀菌效果，表明材料本身对大肠杆菌的毒性较小。在可见光光照条件下，与纯g-C3N4相比，复合材料Ag/g-C3N4表现出更好的杀菌效果，其中Ag(3)/g-C3N4的杀菌效果最好。
图4为大肠杆菌在灭菌结束后的扫描电子显微镜图片，其中：(a)0min,(b)30min,(c)45min,(d)60min,(e)75min,(f)90min。如图4所示，大肠杆菌被Ag(3)/g-C3N4灭菌后，大部分菌体出现变形，细胞壁和细胞膜都被严重地破坏，并且随着灭菌时间的延长，大肠杆菌的长度出现增长的现象，90min后大部分菌体破裂。
Ag/g-C3N4的光电化学测试：
ITO/催化剂工作电极的制备：
1)将ITO玻璃片用去离子水和洗洁精超声清洗30min，然后用体积比为1:1:6氨水、双氧水与去离子水的混合液蒸沸30min，夹出玻璃片，用无水乙醇清洗三次后，吹干备用；
2)用万用表检测出ITO玻璃片的电阻面，将电阻面朝上放在紫外灯下照射1h；
3)称取10mg的催化剂，超声60min分散于2mL无水乙醇中，得到催化剂分散液；
6)用镊子将上述催化剂分散液均匀涂满ITO玻璃电阻面，自然风干10小时，然后在180℃下烘干8h，制得ITO/催化剂工作电极。
光电化学性能在CHI660B电化学工作站上进行测试。
以ITO/光催化剂为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂片为对电极。所有实验在室温下进行，电解质为0.1mol/L的硫酸钠溶液。可见光光源为300W氙灯。光电流相应使用电流-时间(i-t)测量模式，交流阻抗谱初始电压为0V，频率范围0.05-104Hz，振幅5mV。莫特-肖特基谱图电压范围为-1.0V-1.0V，频率为1000Hz，AC电压为10mV。
图5为光致发光，光电流，交流阻抗和莫特-肖特基谱图，其中：(a)g-C3N4和Ag/g-C3N4的光致发光光谱,(b)光电流谱图,(c)交流阻抗谱图,(d)莫特-肖特基谱图。光致发光谱图表明：负载Ag后g-C3N4的光致发光强度极大地降低。Ag(3)/g-C3N4的光电流强度比g-C3N4提高了近一倍。EIS谱图表明Ag(3)/g-C3N4的弧度更小，因此Ag(3)/g-C3N4电极表面的传质阻力更小。莫特-肖特基曲线表明，g-C3N4和Ag(3)/g-C3N4的价带电位分别为0.98和1.13V,表明负载银后g-C3N4的价带位置增加了0.15V。价带单位的增加表明其空穴氧化能力的提高。综上所述，Ag与g-C3N4复合后，光生电子和空穴的分离速率加快，再复合的速率降低。
Claims (1)
1.一种高效杀菌剂银/石墨相氮化碳复合材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
(一)石墨相氮化碳(g-C3N4)的制备
1)将三聚氰胺转入到带盖坩埚中，以2.3℃/min的升温速率升温至550℃，保持4h，待冷却至室温后，将所得黄色粉末在玛瑙研钵中磨碎，所得产物为多层g-C3N4；
2)将上述多层g-C3N4加入乙醇水溶液中得到混合液，多层g-C3N4与乙醇水溶液的用量比为1.5g：450mL，乙醇水溶液中无水乙醇和去离子水的体积比为3:1，将上述混合液超声10h，然后将所得黄色悬浮液在3000r/min下离心10min以去除未被剥离的g-C3N4颗粒，再将所得乳白色悬浮液在10000r/min下离心5min，将得到的沉淀物在80℃下干燥24h，制得石墨相氮化碳(g-C3N4)；
(二)银/石墨相氮化碳复合材料(Ag/g-C3N4)的制备
1)将上述g-C3N4加入到去离子水中，g-C3N4与去离子水的用量比为0.5g：15mL，超声30min使其完全分散，得到g-C3N4分散液；
2)将5mL不同浓度的硝酸银溶液入到上述15mLg-C3N4分散液中，硝酸银溶液与g-C3N4分散液的用量比为5mL：15mL，所述硝酸银溶液的浓度分别为0.79、1.57、3.15、4.72、6.30、7.87mg/mL，从而合成出不同质量比例的Ag/g-C3N4混合液，相应Ag/g-C3N4混合液的质量百分比分别为0.5、1、2、3、4、5wt％，分别简称Ag(0.5)/g-C3N4、Ag(1)/g-C3N4、Ag(2)/g-C3N4、Ag(3)/g-C3N4、Ag(4)/g-C3N4、Ag(5)/g-C3N4混合液；
3)将上述混合液分别置于磁力搅拌器上搅拌2h，然后在300W的氙灯下照射2h，得到悬浮液；
4)将上述所得悬浮液分别在10000r/min下离心3min，然后依次用无水乙醇和去离子水洗涤至完全去除残余银离子，将洗涤后的产物在80℃下干燥24h，制得银/石墨相氮化碳复合材料。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160615 |