CN109126896B

CN109126896B - 一种制备g-C3N4和碳纤维复合载体的方法

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Publication number: CN109126896B
Application number: CN201811089346.8A
Authority: CN
Inventors: 王乐; 位启先; 王文腾
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2038-09-18
Also published as: CN109126896A

Abstract

一种制备g‑C₃N₄和碳纤维复合载体的方法，取一定量的含氮有机物加入到有机试剂中，混合均匀后，进行静电纺丝，并将产物进行预氧化和碳化，随后对产物进行氧化处理，即得g‑C₃N₄和碳纤维复合载体。本发明制备g‑C₃N₄和碳纤维复合载体，具有制备工艺简单，载体的比表面积、孔径和表面极性可调控等特点，应用于固定化细胞发酵时，具有较高的固定化效率及发酵稳定性。

Description

一种制备g-C3N4和碳纤维复合载体的方法

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，特别涉及一种制备g-C₃N₄和碳纤维复合载体的方法。

背景技术

碳纤维具有吸附容量大、强度高、滤阻小、不易粉化和密实、耐强酸强碱以及可多次重复使用等优点，是一种稳定性强、生物相容性好的新型载体材料。因其具有优异的结构特征及表面特性，碳纤维作为一种新型的生物固定化载体，逐渐显示出优良的性能及应用前景。

g-C₃N₄是一种全有机离域π共轭结构的类石墨相氮化碳，带隙能为2.7 eV。由于离域化的π-π结构，g-C₃N₄在电子转移过程中拥有较快的光诱导电荷分离和相对较慢的电荷重组特性。g-C₃N₄的存在不仅可以提高发酵过程中的电子转移效率，而且可以使载体带有更多的NH基团，NH基团在生理pH下易发生质子化，多以阳离子的状态存在，易和蛋白质、磷脂等带负电核的物质发生交联，有利于增加细胞膜的稳定性，增强细胞对外界环境的适应性。

近年来，国内外为改善碳纤维性能，开发出多种制备碳纤维复合材料的方法，如CN107083584 A采用锌盐和聚丙烯腈共同纺丝制备柔性纯净纳米碳纤维，其选用锌盐的目的是为了降低环化温度，改善碳纤维的机械性能，在纺丝及预处理过程中未涉及锌盐的化学变化。CN108277558 A为解决单独采用萃取产物纺丝时具有较差可纺性的问题，采用从生物质中萃取的高分子量萃取产物和聚丙烯腈共纺的制备方案得到碳纤维，其纺丝液需要高温下进行制备并纺丝。《2017中国环境科学学会科学与技术年会论文集(第三卷)》提出了一种生物质碳纤维材料的制备方案，其采用浓硫酸、双氧水氧化处理后的氧化生物质碳和聚丙烯腈共纺的方案得到生物质碳纤维。CN 105862173 A为解决能源储存中所使用的商业石墨成本高的问题，采用高聚物碱木质素和聚丙烯腈共同纺丝的工艺制备碱木质素基静电纺丝碳纤维。上述专利的共同点为纺丝后前驱体的处理过程中不涉及到除聚丙烯腈外其他物质的化学反应。而本申请专利的关键一步在于纺丝后前驱体的碳化过程主要涉及含氮有机物的热解反应，在有机化合物转变为g-C₃N₄的过程中会产生气体，这在一定程度上改善了复合载体的孔径分布及大小，增加了复合载体的比表面积。同时我们采用的原材料为高聚物和较低分子量有机化合物（低分子量的有机化合物在总固体质量比最高可达1/3），且在静电纺丝过程中有机化合物以原始形态均匀的分布在聚合物中。在后期对复合载体的处理过程中，为引入含氧官能团，可控的调节载体对细胞的粘附力及载体表面的生物相容性，我们基于羟基自由基具有较强的氧化能力，对复合载体进行氧化处理，其氧化处理过程易于控制、清洁、高效、几乎无污染产生。

g-C₃N₄和碳纤维复合载体中的g-C₃N₄具有较强的电子转移能力，可以增加固定化发酵过程中的电子转移效率，有利于提高发酵产率，而且碳纤维骨架的存在，使载体容易回收利用。g-C₃N₄和碳纤维在固定化载体时所产生的协同效应，减弱了固定化性能受单一固定化微环境的影响，增加了相关生物学性能的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于制备g-C₃N₄和碳纤维复合载体用于固定化细胞。

本发明所采用的技术方案是：

发明之g-C₃N₄和碳纤维复合载体，可采用以下方法制成，包括以下步骤：

取一定量的含氮有机物（尿素、三聚氰胺或其混合物）和聚丙烯腈共同加入到一定量的N,N-二甲基酰胺、四氢呋喃或二甲基亚砜中，混合均匀后，进行静电纺丝得到纺丝纤维，纺丝条件为：电压13~25kV，推送速度为1~4 mL/h，针尖距接收器的距离为8～20cm，接收器为铝箔。纺丝后将纺丝纤维在280~300℃下预氧化2~4h，在700~850℃下碳化2~4h。随后对其采用下述任一方法进行氧化处理，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体：

1）紫外线臭氧氧化：将碳化后的复合载体放入到含有适量水的石英舟中，使水刚好淹没复合载体，在臭氧浓度为20~50 mg/L，紫外线功率为200~300W的条件下处理1~2h，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体。或，

2）过氧化氢臭氧氧化：将碳化后的复合载体放入到含有浓度为20~30% 过氧化氢的石英舟中，使过氧化氢刚好淹没复合载体，并在臭氧浓度为10~30 mg/L的条件下处理0.5~2h，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体。或，

3）紫外线臭氧和过氧化氢联合氧化：将碳化后的复合载体放入到含有浓度为10~30% 过氧化氢的石英舟中，使过氧化氢刚好淹没复合载体，在臭氧浓度为10~20 mg/L，紫外线功率为200~300W的条件下处理0.5~1.5 h，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体。

优选地，在所述制备方法的步骤中, 含氮有机化合物和聚丙烯腈的加入质量比为：1:(3~10)。

优选地，在所述制备方法的步骤中, 聚丙烯腈和含氮有机化合物加入的总质量（g）与有机试剂的加入量（mL）的比例为：1: (7~15)。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是从原材料出发进行复合载体的制备，相对于g-C₃N₄和碳纤维的外部复合，本方案不仅省略了外部复合时对碳纤维前期处理，而且能避免g-C₃N₄和碳纤维的混合不均匀。通过调节含氮有机物和聚丙烯腈的加入比，可有效调节含氮有机物在热解过程中产生的气体量，进一步调控复合载体的孔径和比表面积。此外，我们还可以通过控制后期的氧化处理条件来调节复合载体的表面含氧官能团含量和表面极性，进一步可控调节载体对细胞的粘附力及载体表面的生物相容性，使其有利于固定化发酵。

采用本发明制备方法制备g-C₃N₄和碳纤维复合载体，具有制备工艺简单，比表面积、孔径和表面极性可调控等优点。g-C₃N₄的引入不仅可以提高固定化发酵过程中的电子转移效率，增加发酵产率，而且由于g-C₃N₄的存在使载体带有更多的NH基团，增加了细胞对外界环境的适应性。后期紫外线臭氧氧化、过氧化氢臭氧氧化或紫外线臭氧和过氧化氢联合氧化都能够在氧化过程中产生具有强氧化性的羟基自由基，使载体表面引入含氧官能团，增加载体表面极性，有利于提高载体对细胞的粘附力和载体的生物相容性。我们通过红外图谱证实复合载体已经成功引入g-C₃N₄（如附图1），同时通过比较载体固定化玫瑰微球菌时细胞内ROS水平，证明了复合载体在固定化玫瑰微球菌发酵过程中可以减少细胞内ROS 水平（如附图2），有利于细胞活力的提升。此外，g-C₃N₄和碳纤维作为复合载体固定化细胞时所产生的协同效应，有利于增加相关细胞生物学性能的稳定性。

附图说明

图1为g-C₃N₄、g-C₃N₄和碳纤维复合载体的红外图谱。

图2为碳纤维、g-C₃N₄和碳纤维复合载体用于固定化玫瑰微球菌发酵时玫瑰微球菌细胞内ROS含量。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体的实施方式进一步详细描述。以下实施例是用来进一步说明本发明的内容，而不限制本发明的保护范围。对于本发明所涉及的相关内容及所做的修改，均属于本发明保护范围。

实施例1：

取0.5g的三聚氰胺和1.5g聚丙烯腈，加入到14 mL的N,N-二甲基酰胺试剂中，混合均匀后，在纺丝条件为：电压15kV，推送速度为1mL/h，针尖距接收器的距离为10cm，接收器为铝箔的条件下，进行纺丝得到纺丝纤维，将纺丝纤维在280℃进行预氧化4h，在700℃下进行碳化4h，随后将碳化后的复合载体放入到含有适量水的石英舟中，使水刚好淹没复合载体，在臭氧浓度为 30 mg/L，紫外线功率为300W的条件下处理1h，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体。

g-C₃N₄和碳纤维复合载体用于固定化黑曲霉多批次发酵生产葡萄糖酸钙：

将黑曲霉接种到固体培养基中，培养48h后，用无菌水洗去孢子，并将孢子液稀释到OD₆₀₀≈0.6，以接种量 5 % 接种到无菌发酵培养液（g-C₃N₄和碳纤维复合载体的加入量为7g/L）中，用于固定化多批次发酵。

产物的测定：

产物的测定在HPLC上进行，条件为：色谱柱：sugar-pak^TM1,柱温：80℃，流动相：重蒸水，流速：0.5ml/L, 检测器：示差检测器。

本实施例中测得连续发酵过程中，g-C₃N₄和碳纤维复合载体固定化黑曲霉效率接近100%，且其固定化细胞在连续使用12批次时，其产物产量仍维持在最高产量的90%以上，具有较好的稳定性。

实施例2：

取0.4g 的尿素和 2.5 g聚丙烯腈，加入到 22mL的N,N-二甲基酰胺和四氢呋喃试剂（V_{N,N-二甲基酰胺}：V_四氢呋喃=17：5）中，混合均匀后，在纺丝条件为：电压18kV，推送速度为1 mL/h，针尖距接收器的距离为8 cm，接收器为铝箔的条件下，进行纺丝得到纺丝纤维，将纺丝纤维在290℃进行预氧化2h，在750℃进行碳化3h，随后将碳化后的复合载体放入到含有浓度为20%过氧化氢的石英舟中，使过氧化氢刚好淹没复合载体，并在臭氧浓度为20 mg/L、紫外线功率为200W的条件下处理1h，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体。

g-C₃N₄和碳纤维复合载体用于固定化玫瑰微球菌多批次发酵生产海藻糖：

将玫瑰微球菌接种到种子培养基中，培养至OD₆₀₀≈0.6，以接种量10% 接种到无菌发酵培养液（g-C₃N₄和碳纤维复合载体的加入量为10g/L）中，用于多批次发酵。

产物的测定：

产物的测定在HPLC上进行，条件为：色谱柱：Hypersil NH₂ 5μm 4.6×250 mm; 柱温：40℃，流动相：乙腈-水（4：1），流速：1 ml/L, 检测器：示差检测器。

本实施例中测得连续发酵过程中，g-C₃N₄和碳纤维复合载体固定化玫瑰微球菌效率为40%~60 %，且其固定化细胞在连续使用7批次时，其产物产量仍维持在最高产量的80%以上，具有较好的稳定性。

实施例3：

取0.5g的含氮有机物（尿素和三聚氰胺的质量比=2：3）和3g聚丙烯腈，加入到 28mL的N,N-二甲基酰胺中，混合均匀后，在纺丝条件为：电压21kV，推送速度为1 mL/h，针尖距接收器的距离为10cm，接收器为铝箔的条件下，进行纺丝得到纺丝纤维，将纺丝纤维在290℃进行预氧化2h，在750℃进行碳化3h，随后将碳化后的复合载体放入30% 过氧化氢的石英舟中，使过氧化氢刚好淹没复合载体，并在臭氧浓度为15 mg/L的条件下处理1.5 h，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体。

g-C₃N₄和碳纤维复合载体用于固定化恶臭假单胞杆菌多批次发酵生产海藻糖：

将恶臭假单胞杆菌接种到种子培养基中，培养至OD₆₀₀≈0.5，以接种量 8 % 接种到无菌发酵培养液（g-C₃N₄和碳纤维复合载体的加入量为12 g/L）中，用于多批次发酵。

产物的测定：

本实施例中测得连续发酵过程中，g-C₃N₄和碳纤维复合载体固定化恶臭假单胞杆菌效率为 45%~60%，且其固定化细胞在连续使用7批次时，其产物产量仍维持在最高产量的75%以上，具有较好的稳定性。

Claims

1.一种制备g-C₃N₄和碳纤维复合载体的方法，其特征在于，可采用以下方法制成：

将含氮有机化合物和聚丙烯腈，质量比为1: (3~10) ，加入到有机试剂中混合均匀后，进行静电纺丝得到纺丝纤维；将纺丝纤维经过280~300 ℃预氧化2~4 h，700~850 ℃碳化2~4 h后，进行氧化处理，即得g-C₃N₄和碳纤维复合载体；所述含氮有机化合物为尿素、三聚氰胺或二者混合物；所述有机试剂为N,N-二甲基酰胺、四氢呋喃或二甲基亚砜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，聚丙烯腈和含氮有机化合物的总质量与有机试剂的加入量的比例为：1 g: (7~15) mL。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对碳化后的复合载体采用的氧化处理方法为紫外线臭氧氧化、过氧化氢臭氧氧化或紫外线臭氧过氧化氢联合氧化。

4.根据权利要求1所述的方法，制备得到的g-C₃N₄和碳纤维复合载体用于固定化细胞。