CN106818869B - 一种碳基纳米铜复合材料的制备方法 - Google Patents

一种碳基纳米铜复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有抗菌功能的碳基纳米铜复合材料的绿色制备方法，将葡萄糖和氯化铜溶解在水中，加热碳化后，在惰性气体存在下高温煅烧，得到碳基纳米铜复合材料。本发明以葡萄糖和氯化铜为原料，廉价易得，降低了制备纳米铜复合材料的成本，过程相对简单，易于控制且便于大批量生产，是一种高效、廉价、绿色的制备方法。本发明利用在碳化煅烧过程中葡萄糖和高温碳还原铜盐，使Cu2+被还原Cu原子，控制成核和结晶得到较纯净的纳米铜复合材料。制备的负载型纳米铜，既缓解了纳米铜团聚严重的问题，提高了纳米铜的分散性，又增加了材料的稳定性，达到了持久抗菌的效果。

Description

一种碳基纳米铜复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米医用抗菌材料领域，具体涉及碳基纳米铜复合材料的制备方法。
背景技术
自然界中的有害细菌、真菌等病原微生物在我们的日常生活中无处不在。近年来，由病原微生物引起的全球性传染病对人类健康造成了严重威胁。医用抗菌材料通过阻隔病原微生物、将其抑制或杀灭，从而有效降低机体得病的风险。因此，研发绿色环保、无危害的医用抗菌材料和制品具有十分重要的意义，受到人们越来越多的关注。
纳米抗菌材料通常具有广谱抗菌性、无毒或低毒性、稳定性和长效性，目前已报道的具有抗菌活性的纳米无机材料主要有纳米银、铜等。其中，纳米铜成本低廉且具有良好的抗菌性，能激活空气或水中的氧，产生超氧阴离子或羟基自由基，破坏微生物细胞膜，进而起到抑制或杀灭细菌的作用。但是纳米铜粒子的表面能高，极易团聚，而其在空气中又易被氧化，从而导致纳米铜粒子分散稳定性下降，丧失抗菌活性，这给纳米铜材料的存储和使用带来很大困难。
中国专利文献CN102499260A公开了一种具有铜/碳-核/壳结构的铜纳米材料在抗菌方面的应用，以植物纤维为模板，金属铜离子为原料，通过加温碳化还原方法制备而成。这种核/壳结构的铜碳纳米材料一般为球型，团聚明显，颗粒大，抗菌效果有限。目前实验室和工业上制备负载型铜纳米材料最常用的方法是液相化学还原法，该方法的原理是利用还原剂如水合肼、硼氢化钠等在液相中还原铜盐，使Cu2+离子被还原Cu原子，控制成核和结晶过程得到纳米铜。此方法制备的纳米铜表面能高使其易被氧化或团聚，需要选择一些表面活性剂、聚合物、羧酸及其衍生物等对其进行表面修饰，防止铜在空气中被氧化。由于需要使用水合肼、硼氢化钠等有毒价高的还原剂，并且往往还需要对其进行表面修饰，因此液相化学还原法不适合工业化生产。中国专利文献CN103203464A公开了一种制备碳材料/纳米铜粉复合材料的方法，属于填料合成领域，先将一定量的水溶性铜盐溶解到去离子水中制成溶液，并将适量分散剂溶于铜盐溶液中，然后将适量碳材料均匀分散到铜盐溶液中，并加入稍过量的铁、锌等金属还原剂，将混合体系持续搅拌或超声使铜被完全还原，然后将混合体系过滤以除去其中大部分的水，再将过滤得到的粉末中多余的还原剂用适量稀酸完全溶解并滤除，分别用去离子水和无水乙醇将所得粉末清洗并过滤数次至滤液无色，然后将所得粉末常温真空干燥即可得到碳材料/纳米铜粉复合材料，该复合材料可用作多功能填料。该法使用碳材料吸附铜离子，吸附效率有限，并且很难在溶液中分散均匀，残留的还原性金属离子还会使碳材料/纳米铜杂化，影响使用效果。
目前缺少一种简便易行、绿色环保的方法制备高效抗菌的碳基纳米铜复合材料。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供了一种碳基纳米铜材复合料的绿色制备方法及其在抗菌方面的应用。
本发明具体技术方案如下：
一种碳基纳米铜复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将葡萄糖和氯化铜溶解在去离子水中，加热至碳化；
(2)将步骤(1)的产物在惰性气体存在下高温煅烧，得到碳基纳米铜复合材料。
上述步骤(1)葡萄糖和氯化铜的质量比为20:1～1:1(以C/Cu计)，优选为5-10:1，更优选5:1。
上述步骤(1)加热温度为50～90℃，加热时间6～48小时，优选80℃条件下加热24小时。
上述步骤(2)煅烧温度为400～900℃，煅烧时间为3～12小时，优选700℃高温条件下煅烧6小时(氩气保护)。
上述的制备方法，其特征在于还包括将碳基纳米铜复合材料洗涤、干燥的步骤，优选使用无氧乙醇和无氧去离子水洗涤碳基纳米铜复合材料。
本发明所述制备方法的步骤(1)为碳化阶段，在低温条件下水溶液中的葡萄糖将氯化铜的二价铜离子还原为一价铜。
本发明所述制备方法的步骤(2)为煅烧阶段，在高温氮气保护条件下，葡萄糖碳化后的碳可以继续还原一价铜，生成单质铜晶体，并镶嵌在碳层之间。
本发明所述制备方法的一个具体技术方案如下：
在小瓷方舟中加入纯净水，分别称取适量的葡萄糖和氯化铜加到瓷方舟中，轻轻搅拌使其溶解、混匀，并在烘箱中80℃条件下加热24小时完成碳化，再将其放入管式炉中700℃高温条件下煅烧6小时(氩气保护)，等温度降至室温后取出，在玛瑙研钵中充分磨细，过筛(60目)，再分别用无氧乙醇、无氧去离子水洗涤6次，离心过滤，最后将滤饼冻干48h，就得到了碳基纳米铜复合材料，充入氮气后密封保存。当此种材料与细菌相接触时，破坏细胞的活力，使细胞死亡。
本发明提供了碳基纳米铜复合材料的绿色制备方法。本发明的原材料为葡萄糖和氯化铜，廉价易得；碳化煅烧可以降低制备纳米铜复合材料的成本，过程相对简单，易于控制且便于大批量生产，是一种高效、廉价、绿色的制备方法。本发明利用在碳化煅烧过程中葡萄糖和高温碳还原铜盐，使Cu2+被还原Cu原子，控制成核和结晶得到较纯净的纳米铜复合材料。制备的负载型纳米铜，既缓解了纳米铜团聚严重的问题，提高了纳米铜的分散性，又增加了材料的稳定性，达到了持久抗菌的效果。本发明通过实验证实，本发明的碳基纳米铜复合材料具有良好的抗菌活性，可以应用于制作医用抗菌器材和用品。
附图说明
图1是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)的晶体结构(XRD)图。
图2是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)的微观形貌(TEM)图(A为透射电镜图、B为纳米铜粒径分布统计图，C为高分辨透射电镜图)。
图3是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)的元素形态(XPS)图。
图4是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)对大肠杆菌的抑菌杀菌效果图。
图5是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)对铜绿假单胞菌的抑菌杀菌效果图。
图6是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)对金黄色葡萄球菌的抑菌杀菌效果图。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非另有说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体实施例并参照数据进一步详细描述本发明。应理解，该实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
下述实例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、碳基纳米铜复合材料的制备
在小瓷方舟中加入3mL纯净水，分别称取3g一水合葡萄糖和0.58g二水合氯化铜，加到瓷方舟中，轻轻搅拌使其溶解、混匀，并在烘箱中80℃条件下加热24小时完成碳化，再将其放入管式炉中700℃高温条件下煅烧6小时(氩气保护)，等温度降至室温后取出，在玛瑙研钵中充分磨细，过筛(60目)，再分别用无氧乙醇、无氧去离子水洗涤6次，离心过滤，最后将滤饼冻干48h，得到葡萄糖和氯化铜的质量比为5:1(以C/Cu计)的碳基纳米铜复合材料，回收率为99％，充入氮气后密封保存。
碳基纳米铜复合材料为黑色无定形粉末。
碳基纳米铜复合材料晶体结构(XRD)分析数据如图1所示。
XRD的测试结果表明：在扫描衍射角度(2θ)为10°-90°时，出现尖锐的衍射峰时所对应的2θ分别为43.5°、50.7°和74.4°，对照铜的标准PDF卡片(JCPDF No.04-0836)与Cu的(111)、(200)和(220)晶面衍射峰对应，这说明所制备的样品确为单质铜。从图1还可看出，XRD图谱没有出现杂质和铜氧化物的衍射峰，说明所制备样品的纯度较高。此外，在商品级纳米铜材料上出现了氧化铜的衍射峰(35.5°)，而复合材料上所对应的衍射峰相对较弱，这也说明复合材料中的碳能较好地保护纳米铜，避免其被氧化，从而提高碳基纳米铜复合材料的稳定性。
碳基纳米铜复合材料的微观形貌(TEM)分析数据如图2所示，A为透射电镜图、B为纳米铜粒径分布统计图，C为高分辨透射电镜图)。
碳化煅烧法制备的碳基纳米铜(C:Cu＝5:1)复合材料样品的TEM测试结果表明：图中清晰可见在透明的石墨碳负载上了大量的金属铜，零价铜颗粒粒呈不规则的圆形，且分散性很好，没有出现零价铜团聚现象。统计结果表明铜颗粒粒径在2-30nm范围内，平均为12.5nm。高分辨透射电子显微图中可以清晰地看到纳米铜粒子的晶格条纹，经测量铜的d(111)为0.2076nm。
碳基纳米铜复合材料的元素形态(XPS)分析数据如图3所示。
XPS可以表征材料表面纳米零价铁的化学价态，碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)的元素形态(XPS)显示：复合材料上主要由铜、碳和氧组成，其中铜只以零价态形式存在，没有氧化态。所合成的复合材料中的主要成分为C和Cu0，且通过XPS与ICP的铜含量分析推断复合材料中铜和石墨碳片层是交替的，并且是铜嵌在中间，外层是石墨碳。
采用上述方法，调整葡萄糖和氯化铜的用量，可分别制得质量比为1:1、2:1、10:1和15:1(以C/Cu计)的碳基纳米铜复合材料。
实施例2、本发明所述碳基纳米铜复合材料的抗菌、抑菌活性
1)实验材料
仪器与试剂：37度恒温细菌培养箱(福意联FYL-YS-208L)；恒温振荡培养箱(恒立HNY-100C)；超净工作台(苏净安泰SW-CJ-1F)；营养肉汤培养基(百思一基生物科技有限公司)；营养琼脂培养基(百思一基生物科技有限公司)；
测试用细菌菌株：大肠杆菌(ATCC25922)、铜绿假单胞菌(ATCC27853)、金黄色葡萄球菌(ATCC25923)，购于百思一基生物科技有限公司。
测试样品：碳基纳米铜复合材料。
2)实验方法
用营养肉汤液体培养基分别复苏大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌。连续转接2次后获得新鲜菌液培养物。
实验样品：本发明C/Cu质量比为1:1、2:1、5:1、10:1和15:1的碳基纳米铜复合材料。
(1)MIC值测试：首先采用稀释法得到一系列浓度梯度的样品与液体培养基的混合液，样品浓度分别为60、45、30、22.5、15、11.25、7.5、5.625、3.75、2.8125μg/ml；然后用微量移液枪向各试管分别加入50μl菌悬液，然后加入培养基至终体积为1ml，振荡均匀后放入恒温培养箱中37℃培养20h。取出观察细菌生长情况，先观察对照管中细菌生长情况(阳性对照管中溶液浑浊，阴性对照管中溶液清澈)；然后观察含有不同浓度样品各试管中溶液的混浊度，溶液开始出现澄清的最低浓度确定为样品的MIC值。
(2)MBC值测试：依次从样品浓度高于MIC值(包括MIC浓度)的其余试管中各吸取100μl溶液分别滴到灭菌的琼脂平板上，涂布均匀，在恒温培养箱中37℃培养20h。肉眼观察实验结果，菌落数＜5个或无菌落生长的最低样品浓度确定为样品的MBC值。
(3)实验结果
计算不同碳/铜质量比的复合材料对大肠杆菌的MIC值和MBC值，结果如表1所示。
表1.不同碳/铜质量比的复合材料实验结果
结果表明C:Cu＝5:1和10:1，特别是C:Cu＝5:1的碳基纳米铜复合材料具有最佳的抑菌效果。
进一步考察C:Cu＝5:1的碳基纳米铜复合材料对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌的抑菌杀菌效果。
用营养肉汤液体培养基分别复苏大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌。连续转接2次后获得新鲜菌液培养物，用接种环沾取新鲜菌液培养物采用平板划线法在营养琼脂培养基上连续划线，获取单菌落。接种环挑取单菌落，接种于2ml营养肉汤培养基37℃过夜培养(24h)，用血球计数板分别配置浓度为1×106CFU/ml的菌液，备用。
抑菌环试验：超级工作台中，吸取150μl备用菌液，用玻棒在营养琼脂培养基平板表面均匀涂布。置室温干燥后，用直径为6mm的灭菌打孔器在在培养基表面打孔，往小孔内注入0.06g碳基纳米铜(C:Cu＝5:1)复合材料样品，置37℃温箱，孵育24h后，读取结果，抑菌圈边缘以肉眼见不到菌落明显生长为限，测量其抑菌圈的直径。图4是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)对大肠杆菌的抑菌杀菌效果图，图5是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)对铜绿假单胞菌的抑菌杀菌效果图，图6是本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)对金黄色葡萄球菌的抑菌杀菌效果图。根据抑菌环法测试结果，计算对大肠杆菌细菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的抑菌圈值、MIC值和MBC值，结果如表2所示。
表2.本发明碳基纳米铜复合材料(C:Cu＝5:1)对不同细菌的抑菌、杀菌效果
结果表明，碳化煅烧法制备的碳基纳米铜(C:Cu＝5:1)复合材料对大肠杆菌、铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌均显示出较强的抑菌、杀菌作用，可以作为抗菌的活性成分用于制作相关抗菌材料。

Claims (3)

1.一种碳基纳米铜复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将葡萄糖和氯化铜溶解在去离子水中，加热至碳化，加热温度为50~90℃，加热时间为6~48小时，葡萄糖和氯化铜的质量比以C/Cu计为5-10:1；
（2）将步骤（1）的产物在惰性气体存在下高温煅烧，煅烧温度为400~900℃，煅烧时间为3~12小时，得到碳基纳米铜复合材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于还包括将碳基纳米铜复合材料洗涤、干燥的步骤。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于使用无氧乙醇、无氧去离子水中的一种或几种洗涤碳基纳米铜复合材料。
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