CN106047939A - 一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,包括以下制备步骤:步骤一,碳纳米管的纯化处理;步骤二,希瓦氏菌的培养;步骤三,纳米银离子的制备;和步骤四,碳纳米管基复合材料的制备。本方法采用环境中存在的微生物希瓦氏菌(S.oneidensis MR‑1)为还原剂,直接原位还原银离子,从而避免了化学试剂的添加,而且不消耗任何能源,该细菌不仅参与原位合成纳米银,从而一步形成纳米复合材料,而且协同参与纳米复合材料对污染物的降解过程,发挥双重作用,该方法经济简便、重复性好,并且低碳环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管基复合材料的制备方法,尤其涉及一种采用生物法制备碳纳米管基复合材料的制备方法。
背景技术
近年来生物法制备纳米材料备受关注,相对于物理、化学等方法,生物法具有绿色环保、温和高效、简单经济等优点,本方法提出在碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)这一基底物上通过希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)原位还原合成纳米银(Agnanoparticles,Ag NPs)并同时得到碳纳米管基Ag/CNTs纳米复合材料。此纳米复合材料可同时发挥碳纳米管和纳米银双重功能,用于催化降解环境污染物如环境和生物均难于降解的对硝基苯酚(4-NP),其效率优于单一材料,且该纳米复合材料在S.oneidensis MR-1存在下协同降解4-NP时的效率更为优异。1988年,Myers和Nealson首次报道了S.oneidensisMR-1可异化还原Mn(IV),且以Mn(IV)为电子受体生长,这一报道引起了科学工作者的浓厚兴趣,揭开了S.oneidensis MR-1研究的序幕。
S.oneidensis MR-1是一种革兰氏阴性细菌,兼性好氧,有两个非常重要的特性:分别是不寻常的厌氧还原能力和传递电子的能力。S.oneidensis MR-1细胞内有一套由细胞色素蛋白所构建的金属呼吸通路,通过该通路,利用多种化合物为电子供体,希瓦氏菌能够将细胞质内产生的电子传递到胞外电子受体,在氧化电子供体获得电子的同时将电子传递给环境中种类丰富的终端电子受体,如有机物、金属离子以及金属氧化物。因此,S.oneidensis MR-1对全球的碳循环有重要意义,在修复环境污染方面也具有重要的潜力。
碳有多种同素异形体——金刚石、石墨、无定形碳,碳纳米管和富勒烯等。其中,碳纳米管(CNTs)是一种瘦长的圆柱形富勒烯,卷曲的石墨层直径从亚纳米级到几十纳米,由石墨的层数决定,长度可从小于1微米到几毫米。碳原子在一个弯曲面上作为六边形的一个角相互结合,形成中空圆柱体,两端封闭或经处理后打开。本实验用到的是多壁碳纳米管,由同轴的多层石墨烯管组成,层与层之间的距离为0.34nm,直径一般为1.4~100nm。CNTs具有各向异性的力学性质、电学性质和热学性质,拉伸强度高、电导和热导能力强、韧性好、热稳定性和化学稳定性高,这些性质使CNTs活跃在包括电子、催化、生物医学等领域中,吸引了广泛的关注。随着CNTs制备技术的不断完善,通过一定的化学反应对其进行化学修饰已成为新的研究热点,既保留CNTs的特性又进行功能化,以期更广泛地拓宽其应用范围。,CNTs的修饰反应大致可分为两类:一类是表面功能基团的共价修饰,另一类是非共价修饰。但无论是哪种修饰改性无非是利用化学或者电化学的方法,加入化学试剂,这些化学试剂多半是有毒的、生物难于降解的,其对于生态环境的污染和生态系统的破坏是不可逆的;或者修饰过程本身耗用了大量的能源,这种方法也很难做到低碳环保。
本方法采用环境存在的微生物S.oneidensis MR-1作为还原剂,避免了化学试剂的添加,而且不消耗任何能源,该细菌不仅参与原位合成纳米Ag从而一步形成纳米复合材料,而且协同参与纳米复合材料对污染物的降解过程,发挥双重作用,该方法经济简便、重复性好,并且低碳环保。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中降解材料制备复杂、降解效率低、合成步骤复杂等技术问题,提供了一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:本发明公开了一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,包括以下制备步骤:
步骤一,碳纳米管的纯化处理:将3g碳纳米管加入到盛有150mL,质量分数为68%的浓硝酸的圆底烧瓶中,冷凝回流加热处理,回流结束后室温冷却,抽滤,将滤饼洗涤,洗涤是用清水对滤饼进行淋洗,直至滤液为中性,干燥处理中的干燥温度为60℃,干燥时间为12h。干燥处理后,将干燥后的滤饼用研钵研成粉末,备用;其中,抽滤过程中采用的微孔滤膜孔径为0.45μm。
步骤二,希瓦氏菌的培养:先将希瓦氏菌S.oneidensis MR-1接种到一升LB培养基中进行菌种预培养,LB培养基的成分为蛋白胨、酵母粉和氯化钠,其中蛋白胨的浓度为10g/L,酵母粉的浓度为5g/L,氯化钠的浓度为10g/L。离心处理,将离心后的菌种进行收集并用MBMM(modified basal mineral medium,MBMM)溶液对收集的菌种进行清洗2-3次;每升MBMM溶液中化合物的组份含量为:N-(2-羟乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸20mmol,微量元素溶液10mL,其中微量元素溶液每升含有:1.5g NTA,0.1g MnCl2·4H2O,0.3g FeSO4·7H2O,0.17g CoCl2·6H2O,0.1g ZnCl2,0.219g NiCl2·6H2O,0.109g Na2SeO3,0.04g CuSO4·5H2O,0.005gAlK(SO4)2·12H2O,0.005g H3BO3,0.106gNa2MoO4·2H2O和0.02g NaWO4·2H2O。
步骤三,纳米银离子的制备:将十二烷基苯磺酸钠溶解于1升MBMM溶液中,溶液中十二烷基苯磺酸钠的质量百分数为1%,取10mlMBMM溶液用氢氧化钠溶液进行调pH为中性,向溶液中加入步骤一中的碳纳米管粉末200g并加入300g聚乙烯吡咯烷酮进行搅拌溶解,得到混合液A,然后向所述混合液A中加入硝酸银固体,溶解后得到混合液B,混合液B中的银离子浓度为0.2mol/L。
步骤四,碳纳米管基复合材料的制备:将所述混合液B用无菌注射器注入灭菌除氧的血清瓶中,然后再向所述血清瓶中注入希瓦氏菌菌株,得到浓度为5×106CFU·ml-1的希瓦氏菌S.oneidensis MR-1菌液,然后将所述血清瓶在30℃,150rpm的摇床中培养,反应,离心处理,然后收集反应产物并进行洗涤,干燥,得到目标产物Ag/CNTs纳米复合材料。
进一步的,为了得到纯净的Ag/CNTs纳米复合材料,步骤四中所述混合液B的用量为5mL,反应的时间为120h,洗涤操作是先用去离子水进行洗涤2-3次,然后再用无水乙醇进行洗涤2-3次,干燥处理中的干燥温度为60℃,干燥时间为24h。
为了将附着的菌株去除,以及获得高品质的Ag/CNTs纳米复合材料,步骤四中离心处理分为两次离心操作,第一次离心采用5000rpm,20min,用来除去菌株;第二次采用高速离心10000rpm,20min,用来获得反应产物。
其中,CNTs有许多应用,但几乎任何一种应用都要求高纯度,而CNTs在制备过程中,混入了金属或者金属氧化物催化剂成分,需用液相或气相氧化的方法除去残余的催化剂成分和碳颗粒,以达到纯化的目的。本方法也可以采用在H2SO4/HNO3混酸作用超声或回流处理。
本方法采用环境存在的微生物S.oneidensis MR-1为还原剂,避免了化学试剂的添加,而且不消耗任何能源,该细菌不仅参与原位合成纳米Ag从而一步形成纳米复合材料,而且协同参与纳米复合材料对污染物的降解过程,发挥双重作用,该方法经济简便、重复性好,并且低碳环保。此纳米复合材料可同时发挥碳纳米管和纳米银双重功能,用于催化降解环境污染物如环境和生物均难于降解的对硝基苯酚(4-NP),其效率优于单一材料,且该纳米复合材料在S.oneidensis MR-1存在下协同降解4-NP时的效率更为优异。另外,本方法是化学和生物学研究领域的技术合作,为生物-化学法低碳环保地制备纳米材料和纳米复合材料提供了新思路和新手段。
附图说明
图1中a为纳米Ag的XRD图,b为Ag/CNTs纳米复合材料的XRD图;
图2为离心除去细菌的Ag/CNTs纳米复合材料的TEM图;
图3为尚未离心除去细菌时的TEM图;
图4为Ag/CNTs纳米复合材料的HRTEM图;
图5为Ag/CNTs纳米复合材料的SEM图;
图6为Ag/CNTs纳米复合材料的EDX图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,其特征在于,包括以下制备步骤:
步骤一,碳纳米管的纯化处理:将碳纳米管3克加入到盛有150mL质量分数为68%的浓硝酸的圆底烧瓶中,冷凝回流加热处理,回流结束后室温冷却,抽滤,抽滤过程中采用的微孔滤膜孔径为0.45μm,然后将滤饼洗涤,洗涤是用清水对滤饼进行淋洗,直至滤液为中性,然后对滤饼放入干燥箱中进行干燥处理,并且干燥的温度为60℃,干燥时间为12h。最后将干燥后的滤饼用研钵研成粉末,备用;
步骤二,希瓦氏菌的培养:先将希瓦氏菌S.oneidensis MR-1接种到1升的LB培养基中进行菌种预培养,LB培养基的成分为蛋白胨、酵母粉和氯化钠,蛋白胨的浓度为10g/L,酵母粉的浓度为5g/L,氯化钠的浓度为10g/L;将菌株在30℃、150rpm的摇床中培养12h。然后通过5000rpm离心5min收集细菌然后离心处理,将离心后的菌种进行收集并用MBMM溶液对收集的菌种进行清洗2-3次;
步骤三,纳米银离子的制备:将十二烷基苯磺酸钠溶解于10mlMBMM溶液中,并用氢氧化钠溶液将MBMM溶液调pH至中性,溶液中十二烷基苯磺酸钠的质量百分数为1%,然后向溶液中加入步骤一中所得的碳纳米管粉末200mg并加入300mg聚乙烯吡咯烷酮进行搅拌溶解,得到混合液A,然后向所述混合液A中加入硝酸银固体,溶解后得到混合液B,混合液B中的银离子浓度为0.2mol/L。
步骤四,碳纳米管基复合材料的制备:取5mL混合液B用无菌注射器注入灭菌除氧的血清瓶中,然后再向血清瓶中注入希瓦氏菌S.oneidensis MR-1,得到浓度为5×106CFU·ml-1的希瓦氏菌S.oneidensis MR-1菌液,然后将血清瓶在30℃,150rpm的摇床中培养,反应120h,然后分为两次离心操作,第一次离心采用5000rpm,20min,用来除去菌株;第二次采用高速离心10000rpm,20min,用来获得反应产物。最后先用去离子水对离心后的产物进行洗涤2次,然后再用无水乙醇进行洗涤2次,然后干燥,干燥温度为60℃,干燥时间为24h;最终得到目标产物Ag/CNTs纳米复合材料。
实施例2
实施例2与实施例1完全相同,唯一的区别在于,实施例2的步骤一中,碳纳米管的纯化处理采用的是H2SO4/HNO3混酸作用下超声作用或回流。
实施例3
本实施例是对本实验结果的数据表征,如图1所示,其中图1中曲线1为纳米Ag的XRD图,曲线2为Ag/CNTs纳米复合材料的XRD图。从曲线1可以看出共有四个衍射峰38.7°、44.7°,65.1°,77.9°,通过查阅标准图谱,分别对应面心立方(fcc)Ag的(111),(200),(220)和(311)晶面,这与标准卡一致(JCPDS36-1451)。图2为离心除去细菌的Ag/CNTs纳米复合材料的TEM图,其中,可以清楚地看出,CNTs管径约为40-60nm,制备的Ag纳米粒子大小较为均匀,平均粒径不超过20nm,这与XRD通过Scherrer公式计算出来的平均粒径较为吻合,可以看出Ag纳米粒子被均匀地修饰在CNTs上。如图3所示,显示的是尚未离心去除S.oneidensisMR-1的照片,可以看出,S.oneidensis MR-1的细胞为纺锤形,约300nm宽,600-800nm长。此外,还可以看出除了CNTs外壁之外,在S.oneidensis MR-1外壁上也有大量Ag纳米颗粒形成,这些纳米颗粒大小参差不齐,也说明了正是由于该细菌的作用,帮助形成了Ag纳米颗粒。图4为Ag/CNTs纳米复合材料的HRTEM图,图中标注的晶格经查阅文献可以归为Ag0的(111)晶面(d=0.235nm),这表明了修饰在CNTs上的是零价态的Ag。如图5所示,可以看出经过硝酸回流CNTs已经被切割成短纳米管,长度约为几个微米,直径40-60nm,由于Ag纳米颗粒粒径非常小,在这张照片观察到Ag纳米颗粒较为困难。事实上,Ag纳米颗粒之所以可以均匀修饰在CNTs外壁上有两个原因。第一归因于HNO3处理带来CNTs表面大量的活性位点(-OH,-COOH等)的形成。另一方面,因为十二烷基苯磺酸钠是阴离子表面活性剂,Ag+很容易被吸引在CNTs表面,有利于下一步S.oneidensis MR-1原位还原的发生。图6中的EDX结果可以看出Ag/CNTs纳米复合材料中共有C、O、Ag三种元素,C来自CNTs,O是来自CNTs经过HNO3回流后引入的活性位点-OH,-COOH,Ag是被生物法原位合成出来的,从而证实了Ag和Ag/CNTs纳米复合材料的高纯度。
Claims (7)
1.一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,其特征在于,包括以下制备步骤:
步骤一,碳纳米管的纯化处理:将碳纳米管加入到盛有浓硝酸的圆底烧瓶中,冷凝回流加热处理,冷凝回流结束后室温冷却,抽滤,将滤饼洗涤,干燥处理后,将干燥后的滤饼用研钵研成粉末,备用;
步骤二,希瓦氏菌的培养:先将希瓦氏菌S.oneidensis MR-1接种到LB培养基中进行菌种预培养,离心处理,将离心后的菌种用收集细菌用改进的基础矿物盐培养基MBMM溶液对收集的菌种进行清洗;
步骤三,纳米银离子的制备:将十二烷基苯磺酸钠溶解于MBMM溶液中得到混合溶液C,所述混合溶液C中十二烷基苯磺酸钠的质量百分数为1%,再向混合溶液C中加入步骤一中所得的碳纳米管粉末并加入聚乙烯吡咯烷酮进行搅拌溶解,得到混合液A,然后向所述混合液A中加入硝酸银固体,溶解后得到混合液B;
步骤四,碳纳米管基复合材料的制备:将所述混合液B用无菌注射器注入灭菌除氧的血清瓶中,然后再向所述血清瓶中注入希瓦氏菌,得到浓度为5×106CFU·ml-1的希瓦氏菌S.oneidensis MR-1菌液,然后将所述血清瓶在30℃,150rpm的摇床中培养,反应,离心处理,然后收集反应产物并进行洗涤,干燥,得到目标产物Ag/CNTs纳米复合材料。
2.如权利要求1所述的一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,其特征在于,步骤一中所述碳纳米管的质量为3克,所述浓硝酸是质量分数为68%的浓硝酸,所述浓硝酸的量为150mL,所述抽滤过程中采用的微孔滤膜孔径为0.45μm,所述洗涤是用清水对滤饼进行淋洗,直至滤液为中性,所述干燥处理中的干燥温度为60℃,干燥时间为12h。
3.如权利要求1所述的一种生物法制备碳纳米管基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤二中所述LB培养基的成分为蛋白胨、酵母粉和氯化钠,所述蛋白胨的浓度为10g/L,所述酵母粉的浓度为5g/L,所述氯化钠的浓度为10g/L。
4.如权利要求1所述的一种生物法制备碳纳米管基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤二中每升所述MBMM溶液中组份含量为:N-(2-羟乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸20mmol,微量元素溶液10mL,其中微量元素溶液每升含有:1.5g NTA,0.1g MnCl2·4H2O,0.3g FeSO4·7H2O,0.17g CoCl2·6H2O,0.1g ZnCl2,0.219g NiCl2·6H2O,0.109g Na2SeO3,0.04gCuSO4·5H2O,0.005g AlK(SO4)2·12H2O,0.005g H3BO3,0.106g Na2MoO4·2H2O和0.02gNaWO4·2H2O。
5.如权利要求1所述的一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,其特征在于,步骤三中所述MBMM溶液用量为10mL,并用氢氧化钠溶液将所述MBMM溶液调pH至中性,所述碳纳米管粉末用量为200mg,所述聚乙烯吡咯烷酮用量为300mg,所述混合液B中的银离子浓度为0.2mol/L。
6.如权利要求1所述的一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,其特征在于,步骤四中所述混合液B的用量为5mL,所述反应的时间为120h,所述洗涤操作是先用去离子水进行洗涤,然后再用无水乙醇进行洗涤,所述干燥处理中的干燥温度为60℃,干燥时间为24h。
7.如权利要求1所述的一种基于生物法制备碳纳米管基复合材料的方法,其特征在于,步骤四中所述离心处理分为两次离心操作,第一次离心采用5000rpm,20min,用来除去菌株;第二次采用高速离心10000rpm,20min,用来获得反应产物。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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