CN109046336A

CN109046336A - 一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂及其制备方法

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Publication number: CN109046336A
Application number: CN201810776903.7A
Authority: CN
Inventors: 谢建平; 徐航; 刘新星; 邱冠周; 武海艳
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2018-12-21

Abstract

本发明公开了一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，以微生物为载体，在微生物的细胞内和/或细胞外负载有铂钯合金纳米颗粒。还提供一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的制备方法，包括如下步骤：将微生物接种至LB培养基中扩大培养，离心后得到湿菌体；配制铂和钯金属离子的混合溶液；将湿菌体加入到混合溶液中，进行吸附得到微生物和金属的混合样品，加入电子供体，充入氮气去除混合样品中的氧气后进行还原反应，真空冷冻干燥，即得。本发明的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，能同时满足较高的催化活性、可重复使用性和稳定性等多种要求。本发明的制备方法，制备工艺简单、成本低廉、环境友好。

Description

一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于贵金属纳米材料领域，尤其涉及一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂及其制备方法。

背景技术

贵金属纳米材料呈现出块状材料所不具备的特殊性质，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，从而在光学、电学、磁学、热学以及催化领域具有独特的性质，在化学催化、储氢材料、燃料电池催化电极、传感器、汽车尾气处理等领域具有广泛的应用。传统的物理和化学合成方法，一般需要高温高压的反应条件，能耗高，并且使用有毒的还原剂和保护剂，易造成环境污染；另外，由于纳米颗粒在反应过程中易发生团聚，使得催化剂的使用率并不理想。

近年来兴起的微生物合成方法，具有成本低、反应条件温和、绿色环保等优势，因而越来越具有广阔的市场应用前景。然而目前，关于微生物还原制备金属纳米材料多是单金属纳米材料，单金属纳米材料很难同时满足较高的催化活性、可重复使用性和稳定性等多种要求。因此，研究一种同时满足较高的催化活性、可重复使用性和稳定性等多种要求的微生物双金属复合纳米材料对本领域具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种同时满足较高的催化活性、可重复使用性和稳定性等多种要求的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，以微生物为载体，在微生物的细胞内和/或细胞外负载有铂钯合金纳米颗粒。

上述的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，优选的，所述微生物为希瓦氏菌属(Shewanella)。

该菌种生长周期短、产量高，适合工业化培养生产，而且是一种典型的金属还原菌，具有强大的电子释放能力、硫代谢能力和对毒性的高耐受能力，该菌在厌氧呼吸过程中，细胞内外的蛋白质、多糖等还原性物质可以通过一系列细胞色素C参与的电子传递，实现外源金属离子的还原，同时这些蛋白质等生物大分子的官能团可以为纳米颗粒的生长提供成核位点，并与之相互作用防止纳米颗粒的聚集，起到还原和稳定的作用。

优选的，所述铂钯合金纳米颗粒的粒径为3～40nm。

优选的，所述微生物、铂和钯的质量比为(10～100):(0.5～2):1。

双金属复合纳米材料是一种有效改善纳米催化剂性能的较优策略，其可以整合两种金属的优异性能从而产生强的相互耦合作用，包括空间效应和电荷效应，因此具有明显增强的本征性能和许多新奇特性。本发明采用的铂和钯金属纳米材料均具有强的催化性能，可实现碳碳偶联反应、脱卤反应、加氢反应、还原反应和电化学反应等，这是其他金属所不能达到的。将铂和钯金属混合制备得到铂钯合金纳米材料，铂和钯的弱晶格收缩会产生一个小的压缩应变，同时铂和钯之间发生电荷转移形成Pt-Pd键，从而改变了它们之间的结构和活性，这种强的相互耦合作用使得铂钯合金纳米材料具有更加优异的催化性能。

基于一个总的技术构思，本发明还提供一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将微生物接种至LB培养基中扩大培养，离心后得到湿菌体；

(2)配制铂和钯金属离子的混合溶液；

(3)将所述步骤(1)得到的湿菌体加入到所述步骤(2)配制的混合溶液中，进行吸附得到微生物和金属的混合样品；

(4)在所述步骤(3)得到的混合样品中加入电子供体，充入氮气去除混合样品中的氧气后进行还原反应，真空冷冻干燥，得到微生物负载型铂钯合金纳米催化剂。

本发明利用微生物菌体锚定、还原作用在微生物细胞内和细胞外合成铂钯合金纳米颗粒，该纳米颗粒的尺寸为3-40nm，微生物细胞利用生物活性分子于细胞内或细胞外还原制备贵金属纳米颗粒，同时微生物细胞丰富的官能基团可以有效附着合成的纳米颗粒，防止纳米颗粒的团聚，起到稳定和保护的作用，从而制备得到均匀分散的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，并且具有优于单金属纳米催化剂的催化活性和稳定性，并应用于对硝基苯酚和偶氮染料废水的处理。相较于单独的化学催化剂，本发明是利用微生物与铂钯合金纳米颗粒之间的协同作用，微生物表面丰富的官能团可促进反应底物吸附在催化剂表面，同时，微生物与铂钯合金纳米颗粒之间会产生电子流，加强了反应底物对电子的吸收，从而表现出远优于单独的化学催化剂的性能。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，扩大培养的时间为12～48h，离心转速为5000～12000rpm，离心时间为5～20min。

优选的，所述步骤(2)中，混合溶液中铂和钯金属离子的质量之比为(0.5～2):1，混合溶液的pH控制为1～4。铂和钯金属离子在该pH范围内更易吸附在细胞表面，同时pH高于4时，铂和钯离子容易发生水解形成沉淀，妨碍纳米材料的制备。

优选的，所述步骤(3)中，湿菌体在混合溶液中的浓度为1～10g/L，吸附温度为20～50℃，吸附时间为10～30min。在该浓度范围内，细菌可以较好的分散在溶剂内，为纳米颗粒的形成提供充足的成核位点，并进一步影响纳米颗粒的尺寸、形状等性质。

优选的，所述步骤(4)中，电子供体为甲酸钠、乳酸钠、丙酮酸和氢气中的任意一种，其浓度为10～50mM，还原反应的温度为20～50℃，还原反应的时间为0.5～3h。在该温度范围内，细胞具有不同的生长和代谢活性，可以还原合成不同尺寸和形状的纳米材料。

优选的，所述步骤(4)中，充入氮气的时长为5～20min，真空冷冻干燥的时间为5～20h。

本发明的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂可以用于对硝基苯酚染料的催化降解，所述应用的方法包括如下步骤：将含有对硝基苯酚或偶氮染料的有机污染废水与硼氢化钠溶液混合，然后加入微生物负载型铂钯合金纳米催化剂进行催化降解反应，反应完全后即完成该有机污染废水的催化降解；催化降解反应完成之后，将所述微生物负载型铂钯合金纳米催化剂通过离心或膜分离技术，将所述微生物负载型铂钯合金纳米催化剂从反应体系中分离回收，循环使用。所述硼氢化钠溶液的浓度为20～50mM；所述的有机污染废水中，对硝基苯酚或偶氮染料的浓度为0.1～0.5mM；所述微生物负载型铂钯合金纳米催化剂与对硝基苯酚或偶氮染料的质量比为(1-50):1；所述离心的离心转速为1000～10000rpm，离心时间为1～15min；所述膜分离技术采用的滤膜孔径为0.05～0.5μm。

催化降解的原理如下：以硼氢化钠为还原剂，在无催化剂存在时，硼氢化钠不能实现对硝基苯酚或偶氮染料的还原，而微生物负载型铂钯合金纳米催化剂表面负载的铂钯合金纳米颗粒可以同时吸附硼氢化钠和染料到催化剂表面，降低两种反应物质的物理距离，同时铂钯合金纳米颗粒也可以有效降低硼氢化钠和染料之间的反应活化能，促进电子从硼氢化钠到染料的传递，从而实现对硝基苯酚或偶氮染料的还原降解。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，利用微生物作为还原剂和稳定剂，制备得到的纳米颗粒尺寸较小，分布均匀，能同时满足较高的催化活性、可重复使用性和稳定性等多种要求。

2、本发明的制备方法，只需简单的微生物吸附和还原两步即可快速合成铂钯合金纳米催化剂，无需高温高压和额外有毒的还原剂和稳定剂，因此该催化剂的制备工艺简单、成本低廉、环境友好。

3、本发明的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂在对硝基苯酚染料催化降解中的应用，催化活性好，还原所用时间短，处理效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的透射电子显微镜图。

图2是实施例1中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的扫描电子显微镜图。

图3是实施例1中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的X射线衍射图。

图4是实施例1中微生物负载型铂钯合金纳米催化剂催化对硝基苯酚还原过程中随着反应时间的紫外可见光谱图。

图5是实施例1中微生物负载型铂钯合金纳米催化剂对硝基苯酚催化降解循环六次后的降解率变化。

图6是实施例2中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的透射电子显微镜图。

图7是实施例2中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的扫描电子显微镜图。

图8是实施例2中微生物负载型铂钯合金纳米催化剂催化对硝基苯酚还原过程中随着反应时间的紫外可见光谱图。

图9是实施例3中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的透射电子显微镜图。

图10是实施例3中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的扫描电子显微镜图。

图11是实施例3中微生物负载型铂钯合金纳米催化剂催化对硝基苯酚还原过程中随着反应时间的紫外可见光谱图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种本发明的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，质量浓度比(菌：铂：钯)为30:1:1，制备得到平均尺寸为13nm且均匀分散的铂钯合金纳米催化剂，图1-3分别为该纳米催化剂的透射电子显微镜图、扫描电子显微镜图和X射线衍射图。

所述固定化微生物吸附剂的制备方法包括如下步骤：

(1)在无菌条件下将希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)菌液接种到已灭菌的100mL的LB培养基中，在30℃、170r/min下扩大培养24h后，在10000rpm条件下离心10min，收集到得到活化培养后的湿菌体；

(2)配制铂和钯金属离子浓度均为100mg/L的混合溶液(铂和钯金属离子的质量之比为1:1)，调节pH到3.0，体系为30mL；

(3)称取0.09g的湿菌体加入到铂和钯的混合溶液中，使得混合溶液中湿菌体的浓度为3.0g/L，置于30℃条件下吸附30min；

(4)在希瓦氏和两种金属离子的混合样品中，加入25mM的甲酸钠电子供体，充入氮气10min，去除样品中的氧气，最后置30℃条件下，还原1h，最后真空冷冻干燥10h，得到微生物负载型铂钯合金纳米催化剂。

由图1可知，希瓦氏菌可以在细胞内合成5-20nm的均匀分散的球形铂钯合金纳米颗粒。

由图2可知，希瓦氏菌可以在细胞外合成9-25nm均匀分散的铂钯合金纳米颗粒。

由图3可知，希瓦氏菌合成的铂钯合金纳米颗粒为面心立方结构。

本实施例制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂在催化降解对硝基苯酚中的应用，其应用包括如下步骤：

S1：分别制备10mM的对硝基苯酚和0.1M的硼氢化钠母液，吸取0.1ml的对硝基苯酚和1mL的硼氢化钠母液至石英皿中，再加入3.4mL的蒸馏水，使得对硝基苯酚和硼氢化钠的最终浓度分别为0.3mM和30mM；

S2：称取2mg的本实施例中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，加入到步骤S1中的对硝基苯酚和硼氢化钠混合溶液中，立即发生剧烈反应，利用紫外可见光谱技术检测反应过程中反应底物和产物的变化(如图4)；

S3：将反应后的样品于8000rpm条件下离心5min，回收得到微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，按照步骤S1和S2重复6次，验证其催化能力的稳定性(如图5)。

由图4可知，该微生物负载型铂钯合金纳米催化剂可以在4min内实现对硝基苯酚的催化降解，其降解率达到97％，说明其具有高的催化性能。

由图5可知，微生物负载型铂钯合金纳米催化剂可以连续6次催化降解对硝基苯酚，其催化能力仅有轻微下降，并且六次的降解率均高于93％，说明其具有强的催化稳定性。

实施例2：

一种本发明的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，质量浓度比(菌：铂：钯)为50:1:1，制备得到平均尺寸为10nm且均匀分散的铂钯合金纳米催化剂，图6-7分别为该纳米催化剂的透射电子显微镜图、扫描电子显微镜图。

所述固定化微生物吸附剂的制备方法包括如下步骤：

(3)称取0.15g的湿菌体加入到铂和钯的混合溶液中，使得混合溶液中湿菌体的浓度为5.0g/L，置于30℃条件下吸附30min；

由图6可知，希瓦氏菌可以在细胞内合成3-15nm的均匀分散的球形铂钯合金纳米颗粒。

由图7可知，希瓦氏菌可以在细胞外合成5-20nm均匀分散的铂钯合金纳米颗粒。

本实施例制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂在催化还原对硝基苯酚中的应用，其应用包括如下步骤：

S2：称取2mg的本实施例中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，加入到步骤S1中的对硝基苯酚和硼氢化钠混合溶液中，立即发生剧烈反应，利用紫外可见光谱技术检测反应过程中反应底物和产物的变化(如图8)。

由图8可知，该微生物负载型铂钯合金纳米催化剂可以在2min内实现对硝基苯酚的催化还原。

实施例3：

一种本发明的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，质量浓度比(菌：铂：钯)为30:1:1，制备得到平均尺寸为21nm且均匀分散的铂钯合金纳米催化剂，图9-10分别为该纳米催化剂的透射电子显微镜图、扫描电子显微镜图。

所述固定化微生物吸附剂的制备方法包括如下步骤：

(3)称取0.09g的湿菌体加入到铂和钯的混合溶液中，使得混合溶液中湿菌体的细菌浓度为3.0g/L，置于40℃条件下吸附30min；

(4)在希瓦氏和两种金属离子的混合样品中，加入25mM的甲酸钠电子供体，充入氮气10min，去除样品中的氧气，最后置40℃条件下，还原1h，最后真空冷冻干燥10h，得到微生物负载型铂钯合金纳米催化剂。

由图9可知，希瓦氏菌可以在细胞内合成13-32nm的均匀分散的球形铂钯合金纳米颗粒。

由图10可知，希瓦氏菌可以在细胞外合成15-37nm均匀分散的铂钯合金纳米颗粒。

S2：称取2mg的本实施例中制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，加入到步骤S1中的对硝基苯酚和硼氢化钠混合溶液中，立即发生剧烈反应，利用紫外可见光谱技术检测反应过程中反应底物和产物的变化(如图11)。

由图11可知，该微生物负载型铂钯合金纳米催化剂可以在9min内实现对硝基苯酚的催化还原。

对比例1：

按照与实施例1中步骤1同样的方法制备得到的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，对比其与微生物负载型铂纳米催化剂、微生物负载型钯纳米催化剂、希瓦氏菌(未负载有铂钯纳米颗粒)应用于对硝基苯酚染料的催化还原实验，实验条件也同实施例1。希瓦氏菌与三种微生物负载型纳米催化剂催化还原对硝基苯酚所需的时间如表1所示。

表1：希瓦氏菌与三种微生物负载型纳米催化剂催化还原对硝基苯酚所需的时间

由表1可知，在对硝基苯酚的催化降解反应中，希瓦氏原菌本身无催化活性，微生物负载型铂钯纳米合金纳米催化剂所需的时间最少，说明该合金纳米催化剂的催化活性优于相应的单金属纳米催化剂。

对比例2：

按照与实施例1同样的方法制备得到微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，对比其与商业铂碳、钯碳催化剂对对硝基苯酚染料的催化还原性能，实验条件也同实施例1。三种催化剂对对硝基苯酚的催化降解所需时间如表2所示。

表2：三种催化剂对对硝基苯酚催化降解所需的时间

由表2可知，在对硝基苯酚的催化降解中，本发明提供的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的催化活性远高于商业的铂碳和钯碳等纯化学催化剂。

Claims

1.一种微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，其特征在于，以微生物为载体，在微生物的细胞内和/或细胞外负载有铂钯合金纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，其特征在于，所述微生物为希瓦氏菌属(Shewanella)。

3.根据权利要求1或2所述的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，其特征在于，所述铂钯合金纳米颗粒的粒径为3～40nm。

4.根据权利要求1或2所述的微生物负载型铂钯合金纳米催化剂，其特征在于，所述微生物、铂和钯的质量比为(10～100):(0.5～2):1。

5.一种如权利要求1-4中任一项微生物负载型铂钯合金纳米催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(2)配制铂和钯金属离子的混合溶液；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，扩大培养的时间为12～48h，离心转速为5000～12000rpm，离心时间为5～20min。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，混合溶液中铂和钯金属离子的质量之比为(0.5～2):1，混合溶液的pH控制为1～4。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，湿菌体在混合溶液中的浓度为1～10g/L，吸附温度为20～50℃，吸附时间为10～30min。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，电子供体为甲酸钠、乳酸钠、丙酮酸和氢气中的任意一种，其浓度为10～50mM，还原反应的温度为20～50℃，还原反应的时间为0.5～3h。

10.根据权利要求5-9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，充入氮气的时长为5～20min，真空冷冻干燥的时间为5～20h。