CN106350544A - 一种多孔石墨烯的绿色制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔石墨烯的绿色制备方法，其包括：将白腐真菌的孢子悬浮液接种至含细菌纤维素膜块的种子培养液中，培养得固定化白腐真菌膜块；再接种至液体营养限制培养基中，培养1～3天后加入氧化石墨烯悬浮液进行反应5～24h，使氧化石墨烯吸附在固定化白腐真菌膜块的菌丝表面；然后对其进行生物氧化、降解，获得降解氧化石墨烯膜块；用镊子将其外部吸附有氧化石墨烯的菌丝剥离出来，并将剥离出来的菌丝放入稀盐酸中，加热溶解；然后经离心、洗涤后得到纯净的多孔石墨烯悬浮液；最后经干燥后得到多孔石墨烯。本法使用固定化白腐真菌在温和条件下进行多孔石墨烯的制备，反应过程绿色无污染、成本低，且多孔石墨烯孔洞分布更宽。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯材料的制备方法，特别涉及一种多孔石墨烯的绿色制备方法。
背景技术
2004年，石墨烯由英国曼彻斯特大学Andre K. Geim教授用一种简单易行的胶带剥离（机械剥离）法成功制备。由于其具有出色的电特性、热特性、力学特性、光学特性以及机械特性，有望在微电子、能源、信息、生物医药，特别在纳米材料领域具有重大的应用前景。目前，石墨烯的制备方法主要有以石墨为原料的“自上而下”制备方法和以小分子碳为前驱体的“自下而上”制备方法，其中“自上而下”制备方法中的液相超声分散法、化学氧化-还原法以及“自下而上”制备方法中的化学气相沉积法、有机合成法等应用较广泛。
多孔石墨烯的片层中孔隙有助于提高物质传递，在储能等许多领域具有潜在的应用。目前，多孔石墨烯的制备方法主要有采用强碱与石墨烯在高温和惰性气氛下进行化学活化（Yanwu Z, et al., Science, 2011, 322, 1537）、以过渡金属或过渡金属氧化物为活化剂与石墨烯在高温下进行反应（周旭峰等, 一种多孔石墨烯的制备方法, 中国专利,20120367072.0）、以硫酸铵为还原剂与氧化石墨烯高温混合煅烧（周明杰等, 多孔石墨烯的制备方法, 中国专利, 201110105427.4）等。上述传统的多孔石墨烯制备方法工艺复杂、成本高，无法广泛推广，限制了其应用领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔石墨烯的绿色制备方法，通过生物反应体系对氧化石墨烯的不完全降解作用而获得多孔石墨烯。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种多孔石墨烯的绿色制备方法，其包括如下制备步骤：
（1）将白腐真菌的孢子悬浮液接种至含细菌纤维素膜块的种子培养液中，在恒温振荡培养箱中培养而得固定化白腐真菌膜块；
（2）将固定化白腐真菌膜块接种至液体营养限制培养基中，重新放入恒温振荡培养箱中培养1～3天后加入氧化石墨烯悬浮液进行反应5～24h，使氧化石墨烯吸附在固定化白腐真菌膜块的菌丝表面；然后对其进行生物氧化、降解，获得降解氧化石墨烯膜块；
（3）将降解氧化石墨烯膜块从恒温振荡培养箱中取出，用镊子将其外部吸附有氧化石墨烯的菌丝剥离出来，并将剥离出来的菌丝放入稀盐酸中，加热溶解；然后经离心、洗涤后得到纯净的多孔石墨烯悬浮液；最后经干燥后得到多孔石墨烯。
进一步方案，所述步骤（1）中孢子悬浮液中孢子浓度为1×106～5×107CFU，其接种量为1×105～1×106CFU。
进一步方案，所述步骤（1）中细菌纤维素膜块的大小为1.0cm×1.0cm×0.5cm～2.5cm×2.5cm×1.5cm，其数目为1-4块/250mL种子培养液。
进一步方案，所述步骤（1）中恒温振荡培养箱的培养条件为100～180r/min、28～32℃，培养时间为2～5天。
进一步方案，所述步骤（1）中固定化白腐真菌膜块从恒温振荡培养箱中取出，并用无菌水对其清洗数遍，并保藏在冰箱中备用。
进一步方案，所述步骤（2）中氧化石墨烯悬浮液的浓度为1～2mg/mL，其加入量为0.5～10 mL；所述生物氧化、降解的时间为1～5天。
进一步方案，所述步骤（3）中稀盐酸的浓度为5～20%（w/w），其加热温度为35～60℃。
进一步方案，所述步骤（3）中离心的转速为7000～12000r/min、时间为15～30min；干燥的方式为普通真空干燥或真空冷冻干燥，其中普通真空干燥的温度为60～100℃、干燥时间为2～24h；真空冷冻干燥的真空度≤160Pa、温度为-20～-80℃、干燥时间为8～24h。
进一步方案，所述步骤（1）中种子培养液是将土豆液、葡萄糖、磷酸二氢钾、硫酸镁和去离子水制成，其中土豆液是将新鲜土豆煮沸捣烂后过滤所得。
进一步方案，所述步骤（2）中液体营养限制培养基是由葡萄糖、酒石酸铵、磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁、硫酸亚铁、藜芦醇、氯化钠、吐温-80 、硫酸锰、VB1 5 和去离子水组成。
本发明在液体营养限制培养基中，以固定化白腐真菌为媒介，通过微生物反应体系的生物氧化、降解作用使得氧化石墨烯中形成孔洞结构，制备出孔径范围广泛的多孔石墨烯。
本发明与现有技术相比，其显著优点有：
（1）本发明利用方便易得且繁殖力旺盛的白腐真菌对氧化石墨烯进行生物氧化和降解，其反应条件温和、过程绿色无污染；
（2）采用白腐真菌生物降解反应体系制备的多孔石墨烯孔洞直径主要分布在10-500nm，其孔洞大小分布范围更广。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
图1是实施例1制备的多孔石墨烯的扫描电镜图；
图2是实施例1制备的多孔石墨烯的透射电子显微镜（TEM）照片。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业领域技术人员更全面地理解本发明。
种子培养液的制备：将200g新鲜土豆块加水煮沸30min，捣烂后用8层纱布过滤得滤液；然后加入葡萄糖20g、磷酸二氢钾1.5g、硫酸镁0.75g进行混合，最后用去离子水定容至1 L所得，并于121℃灭菌20 min，再冷却至室温。
液体营养限制培养基的制备：将葡萄糖10g、酒石酸铵0.1g、磷酸二氢钾2g、氯化钙0.1g、硫酸镁0.25g、硫酸亚铁0.1g、藜芦醇150mg、氯化钠1mg、吐温-80 5 mg、硫酸锰0.5mg的VB1 5mg进行混合，然后用去离子水定容至1 L，并调pH值为5.0；最后于121℃灭菌并冷却至室温。
实施例1
本发明一种多孔石墨烯的绿色制备方法，包括以下步骤：
（1）固定化白腐真菌
先将1 L种子培养液装至4个三角瓶中，向每个三角瓶中加入4块细菌纤维素膜块（1.5cm×1.5 cm×0.5 cm），并灭菌、冷却；
然后在每个三角瓶中接种1×107 CFU的白腐真菌的孢子悬浮液5 mL，其中孢子浓度为2×105 CFU；再将三角瓶置于恒温振荡培养箱中以150 r/min、30℃条件培养5d，使菌丝附着并完全包裹住细菌纤维素膜块上；最后取出，并以无菌水清洗表面三次，去除残留的培养基，即得固定化白腐真菌；
（2）生物降解制备多孔石墨烯
将1 L液体营养限制培养基分装于4个1 L三角瓶中（250 mL/瓶），在每个三角瓶中加入一块固定化白腐真菌的膜块，于恒温振荡培养箱中以30℃、150 r/min振荡培养2天后，然后加入1mg/mL的氧化石墨烯悬浮液2 mL反应12h，氧化石墨烯则全部被吸附至固定化白腐真菌膜块的外表面上的真菌菌丝上，继续培养3天进行生物降解，获得降解氧化石墨烯膜块；
（3）分离提取、纯化与干燥
将反应完毕的降解氧化石墨烯膜块取出，用镊子将其外部吸附的氧化石墨烯的菌丝剥离出来，并将剥离出来的菌丝放入10%（w/w）稀盐酸中，加热至35℃溶解菌丝；然后经10500r/min离心20min后，沉淀物用去离子水和80%（v/v）乙醇反复洗涤去除细胞和反应液中其它杂质；将洗净的产物分散于20 mL去离子水中，然后于-60℃、80Pa条件下真空冷冻干燥12h，得到多孔石墨烯。
本实施例制备的多孔石墨烯的典型扫描电镜图如图1中a所示，并测得其孔洞直径分布如图1中b所示，可观察到其孔洞直径分布在10-500 nm之间。其透射电子显微镜（TEM）照片如图2中a所示，图2中b是a的局部放大图，其中箭头所指处为不同大小的纳米级孔洞。
实施例2
本发明一种多孔石墨烯的绿色制备方法，包括以下步骤：
（1）先将种子培养液分装至4个三角瓶中，向每个三角瓶中加入2块细菌纤维素膜块（2.5 cm×2.5 cm×1.5 cm），并灭菌、冷却；
接种2×107 CFU白腐真菌的孢子悬浮液5 mL，其中孢子浓度为4×105 CFU；将上述四个三角瓶置于恒温振荡培养箱中以180 r/min、30℃培养4 d，菌丝附着并完全包裹住细菌纤维素膜块，取出用无菌水清表面三次，去除残留的培养基，即得固定化白腐真菌；
（2）将1 L液体营养限制培养基分装于4个1 L三角瓶中（250 mL/瓶），再向每个三角瓶中加入2块固定化白腐真菌，于恒温振荡培养箱中以30℃、160 r/min振荡培养3天后，每个三角瓶中加入2 mg/mL的氧化石墨烯悬浮液10 mL反应12h，氧化石墨烯会全部被吸附至固定化白腐真菌膜块的外表面的真菌菌丝上，继续培养5天进行生物降解，获得降解氧化石墨烯膜块；
（3）将反应完毕的降解氧化石墨烯膜块取出，用镊子将其外部吸附的氧化石墨烯的菌丝剥离出来，并将剥离出来的菌丝加入8%（w/w）的稀盐酸中加热至40℃溶解菌丝；然后经12000r/min离心20min后，沉淀物用8%（w/w）稀盐酸、去离子水、80%（v/v）乙醇反复清洗而溶解去除细胞和反应液中其它杂质；将洗净的产物分散于20 mL去离子水中，在-50℃、50Pa条件下进行真空冷冻干燥18 h，制备得到多孔石墨烯。
实施例3
（1）先将种子培养液分装至4个三角瓶中，向每个三角瓶中加入3块细菌纤维素膜块（1.0 cm×1.0 cm×0.5 cm），并灭菌、冷却；
接种5×107 CFU白腐真菌的孢子悬浮液5 mL，其中孢子浓度为1×106 CFU。将上述四个三角瓶置于恒温振荡培养箱中以100 r/min、28℃培养5 d，菌丝附着并完全包裹住细菌纤维素膜块，取出，并以无菌水清洗膜块表面三次，去除残留的培养基，即得固定化白腐真菌；
（2）将1 L液体营养限制培养基分装于4个1 L三角瓶中（250 mL/瓶），121℃灭菌30 分钟，冷却至室温；然后，每个三角瓶中加入4块固定化白腐真菌的膜块，于恒温振荡培养箱中28℃、180 r/min振荡培养1天后，然后每个三角瓶中加入2 mg/mL的氧化石墨烯悬浮液5 mL反应10 h，氧化石墨烯会全部被吸附至固定化白腐真菌膜块的外表面的真菌菌丝上，继续培养5天进行生物降解，获得降解氧化石墨烯膜块。
（3）将反应完毕的降解氧化石墨烯膜块取出，用镊子将其外部吸附的氧化石墨烯的菌丝剥离出来，并将剥离出来的菌丝用15%（w/w）的稀盐酸加热至50℃溶解菌丝；然后经12000r/min离心20min后，沉淀物用5%（w/w）稀盐酸、去离子水、80%（v/v）乙醇反复清洗而溶解去除细胞和反应液中其它杂质；将洗净的产物分散于20 mL去离子水中，在90℃下进行真空干燥12h，制备得到多孔石墨烯。
实施例4
（1）固定化白腐真菌
先将种子培养液分装至4个三角瓶中，向每个三角瓶中加入1块细菌纤维素膜块（1.5cm×1.5 cm×0.5cm），并灭菌、冷却；
接种8×106CFU白腐真菌的孢子悬浮液10 mL，其中孢子浓度为3.2×105CFU；将上述四个三角瓶置于恒温振荡培养箱中以180 r/min、32℃培养4d，菌丝附着并完全包裹住细菌纤维素膜块，取出，并以无菌水清洗膜块表面三次，去除残留的培养基，即得固定化白腐真菌。
（2）将1 L液体营养限制培养分装于4个1 L三角瓶中（250 mL/瓶），向每个三角瓶中加入3块已固定化白腐真菌，于恒温振荡培养箱中以28℃、180 r/min振荡培养1天后，向每个三角瓶中加入2 mg/mL的氧化石墨烯悬浮液0.5 mL反应9 h，氧化石墨烯则全部被吸附至固定化白腐真菌膜块的外表面的真菌菌丝上，继续培养4天进行生物降解，获得降解氧化石墨烯膜块。
（3）将反应完毕的降解氧化石墨烯膜块取出，用镊子将其外部吸附的氧化石墨烯的菌丝剥离出来，并将剥离出来的菌丝用5%（w/w）的稀盐酸加热至60℃溶解菌丝；然后经9000r/min离心30min后，沉淀物用5%（w/w）稀盐酸、去离子水、80%（v/v）乙醇反复清洗而溶解去除细胞和反应液中其它杂质；将洗净的产物分散于10 mL去离子水中，在70℃下进行真空干燥24h，制备得到多孔石墨烯。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多孔石墨烯的绿色制备方法，其特征在于：包括如下制备步骤：
（1）将白腐真菌的孢子悬浮液接种至含细菌纤维素膜块的种子培养液中，在恒温振荡培养箱中培养而得固定化白腐真菌膜块；
（2）将固定化白腐真菌膜块接种至液体营养限制培养基中，重新放入恒温振荡培养箱中培养1～3天后加入氧化石墨烯悬浮液进行反应5～24h，使氧化石墨烯吸附在固定化白腐真菌膜块的菌丝表面；然后对其进行生物氧化、降解，获得降解氧化石墨烯膜块；
（3）将降解氧化石墨烯膜块从恒温振荡培养箱中取出，用镊子将其外部吸附有氧化石墨烯的菌丝剥离出来，并将剥离出来的菌丝放入稀盐酸中，加热溶解；然后经离心、洗涤后得到纯净的多孔石墨烯悬浮液；最后经干燥后得到多孔石墨烯。
2.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）中孢子悬浮液中孢子浓度为1×106～5×107CFU，其接种量为1×105～1×106CFU。
3.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）中细菌纤维素膜块的大小为1.0cm×1.0cm×0.5cm～2.5cm×2.5cm×1.5cm，其数目为1-4块/250 mL种子培养液。
4.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）中恒温振荡培养箱的培养条件为100～180 r/min、28～32℃，培养时间为2～5天。
5.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）中固定化白腐真菌膜块从恒温振荡培养箱中取出，并用无菌水对其清洗数遍，并保藏在冰箱中备用。
6.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（2）中氧化石墨烯悬浮液的浓度为1～2 mg/mL，其加入量为0.5～10 mL；所述生物氧化、降解的时间为1～5天。
7.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（3）中稀盐酸的浓度为5～20%（w/w），其加热温度为35～60℃。
8.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（3）中离心的转速为7000～12000 r/min、时间为15～30 min；干燥的方式为普通真空干燥或真空冷冻干燥，其中普通真空干燥的温度为60～100℃、干燥时间为2～24 h；真空冷冻干燥的真空度≤160Pa、温度为-20～-80℃、干燥时间为8～24h。
9.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（1）中种子培养液是将土豆液、葡萄糖、磷酸二氢钾、硫酸镁和去离子水制成，其中土豆液是将新鲜土豆煮沸捣烂后过滤所得。
10.根据权利要求1所述的制备多孔石墨烯的方法，其特征在于：所述步骤（2）中液体营养限制培养基是由葡萄糖、酒石酸铵、磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁、硫酸亚铁、藜芦醇、氯化钠、吐温-80 、硫酸锰、VB1 5 和去离子水组成。
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