CN111318287A

CN111318287A - 一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法

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Publication number: CN111318287A
Application number: CN202010128752.1A
Authority: CN
Inventors: 徐自爱; 雍阳春; 俞洋洋
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: CN111318287B

Abstract

本发明属于材料合成领域，具体涉及一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法；本发明利用异化金属还原菌在代谢过程中分解有机物产生电子，GO转化为rGO；再利用水溶性硫酸盐和三价铁作为最终电子受体，获得生物合成的FeS@rGO复合材料，该复合材料可直接用于Cr⁶⁺的去除。本发明生物合成的FeS纳米颗粒不仅形貌规整，更具小尺寸效应，且实现了FeS纳米颗粒向rGO片层均匀锚定的技术性突破。本发明所公开的FeS@rGO复合材料的生物合成方法原料来源广泛、操作简便、反应原子经济性高、环境友好，进一步扩大了FeS@rGO复合材料在环境、催化、光学、传感和电化学储能性能等领域的应用前景。

Description

一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法

技术领域

本发明属于材料合成领域，具体涉及一种FeS@rGO材料的生物合成方法。

背景技术

纳米硫化亚铁（FeS）因其独特的分子结构及优异的表面化学特性被广泛应用于环境污染修复，其主要是通过吸附作用、离子交换或沉淀作用于有效固定水体或土壤中重金属离子。但由于FeS易被氧化且易聚集的特性，在水体中迁移性较差，使其实际修复效果不理想。

石墨烯材料具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。由于石墨烯表面含有丰富的官能团，催化活性高，能提供大量的吸附位点，故常被用于复合FeS纳米材料，以期满足各领域对FeS-石墨烯复合材料的不同需求。例如，Liu 等构建了一种基于FeS/rGO纳米片修饰玻碳电极（GCE）的新型电化学传感器；该传感器具有优异的电催化活性、优异的灵敏度和长时间的稳定性，多巴胺（DA）和对乙酰氨基酚（AC）的的检测限能够达到0.098 μM和0.18 μM级别（Materials Science and Engineering: C, 2017, 70: 628-636）； Xu等采用水热法制备了FeS微片和GO超薄片复合材料（FeS@GO），FeS@GO在0.1 A/g条件下经150次循环后仍能保持1671 mAh/g的电容量（Inorganic Chemistry Frontiers,2018, 5(10): 2540-2545）。

尽管诸多化学法合成的纳米硫化亚铁石墨烯复合材料表现出优良的电化学储能特性、稳定性和出色的理化性质，但该材料的应用仍有所桎梏。这是因为化学合成方法不仅能耗高、反应条件苛刻、催化活性难以控制、而且普遍面临着环境污染的问题，此石墨烯复合材料实际应用效果仍相对较差。所以开发纳米硫化亚铁石墨烯复合材料的生物合成方法，有十分重要的意义。

FeS纳米颗粒生物合成法的提出为解决上述问题提供了良好的思路。其合成原理主要是异化金属还原菌能够分解有机物产生电子，利用硫酸盐和含铁盐作为电子受体，进一步结晶成稳定的FeS纳米颗粒。生物合成的纳米FeS不仅形貌规整，更具小尺寸效应，且所含生物有机质使得FeS纳米颗粒均匀分散，可在一定程度上稳定硫化亚铁并防止其聚集，因此FeS纳米颗粒的生物合成方法越来越受研究者重视。然而，直接在在FeS纳米颗粒的生物合成体系中添加GO会导致FeS纳米颗粒与体系中还原的rGO相游离，无法保证FeS与rGO充分结合。

发明内容

为了克服化学合成方法能耗高、反应条件苛刻、催化活性难以控制、存在环境污染的不足，本发明公开了一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法，实现了使FeS纳米颗粒均匀分布于rGO表面的技术性突破。该方法主要在于利用异化金属还原菌在代谢过程中分解有机物等产生电子，将GO还原为导电性rGO的同时将电子传递到导电rGO表面，进一步将利用水溶性硫酸盐和三价铁作为最终电子受体，由于rGO对三价铁具有良好的吸附作用，同时细菌产生的电子聚集在rGO表面，三价铁可以在rGO表面生物还原成二价铁，同时与生物还原硫酸盐产生的S^2-或添加的S^2-合成FeS纳米颗粒并锚定在rGO表面，最终通过有机溶剂处理去除细胞及杂质，可获得生物合成的FeS@rGO复合材料。

为了解决上述问题，本发明公开了一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法，具体步骤如下：

（1）预先培养活性良好的异化金属还原菌并准备GO水溶液；

（2）取少量GO水溶液分散于一定量缓冲溶液中，添加一定浓度的有机物，超声15 min使体系混合均匀；

（3）取适量步骤（1）中活性良好的异化金属还原菌菌液离心弃上清，将异化金属还原菌菌泥分散至步骤（2）中混合体系中，恒温振荡培养使GO转化为rGO；

（4）在厌氧条件下，取水溶性三价铁盐和水溶性硫酸盐溶液加入步骤（3）得到的rGO体系中，充分恒温振荡培养获得FeS@rGO复合材料。

进一步地，步骤（1）中，所述异化金属还原菌包括但不限于奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)。

进一步地，步骤（2）中，所述GO在缓冲溶液中的终浓度为20-500 mg/mL；所述缓冲溶液pH值为7，包括Tris-HCl缓冲液、PBS缓冲液、MOPS缓冲溶液、HEPES缓冲液、磷酸盐缓冲液中的任一种；所述有机物为乳酸、乙酸、葡萄糖或甲酸中的任一种，所述有机物在缓冲溶液中的终浓度为1-100 mmol/L。

进一步地，步骤（3）中，所述异化金属还原菌在混合体系中OD₆₀₀为0.1-4。

进一步地，步骤（4）中，所述水溶性三价铁盐为氯化铁、硫酸铁、硫酸铁铵或柠檬酸铁中的任一种，所述水溶性三价铁盐在rGO体系中的终浓度为0.1-10 mmol/L；所述水溶性硫酸盐为硫酸盐、亚硫酸盐、硫化盐中的任一种，所述硫酸盐在rGO体系中的终浓度为0.1-10 mmol/L。

进一步地，步骤（3）、（4）所述恒温振荡培养条件均为：温度4~50 ℃，摇床转速100~250 rpm，培养时间4~36 h。

本发明还提供了生物合成的FeS@rGO复合材料应用于去除污水中Cr⁶⁺。

本发明的有益效果：

传统FeS@rGO纳米材料主要采用化学合成法，此方法不仅能耗高、催化活性难以控制、还需要添加有毒试剂或产生有毒副产物，容易对环境造成二次污染。FeS@rGO生物法合成方法不仅原料来源广泛、普适性好，反应原子经济性高，还避免了有毒有害化学物质的使用，并且在常温常压下进行，具有成本低和环境友好的优点。

本发明实施例采用的菌株为奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)，相对于其他菌株来说，希瓦氏菌具有遗传背景清晰、遗传操作简便、培养工艺成熟、生长速度快等诸多优点；但本发明可用菌株不限于希瓦氏菌，所有异化金属还原菌均可用于合成本发明所述FeS@rGO纳米材料。

本发明可根据微生物种类的不同和所投加的水溶性三价铁盐和硫酸盐的浓度比例不同，理论上可合成不同尺寸、不同催化活性的的FeS@rGO材料，而不同 FeS@rGO材料对于水体中各类污染物的钝化效果不同，从而可以通过调控合成不同类型FeS@rGO材料高效选择性去除污染物。因此生物合成的FeS@rGO材料兼备高效率、高选择性、操作简便、后期方便处理的特性，进一步扩大了FeS@rGO材料在环境、催化、光学、传感和电化学储能性能等领域的应用前景。

附图说明

图1为实施例1~4中构建不同类型FeS@rGO的生物合成过程初始反应状态的实物图。

图2为实施例1~4中构建不同类型FeS@rGO的生物合成过程中反应时刻的实物图。

图3为实施例1~4中构建不同类型FeS@rGO的生物合成反应结束后获得的FeS@rGO混合体系。

图4为实施例1~4中制备的FeS@rGO的XRD图谱，以生物合成的rGO为对照组。

图5为实施例1中生物合成的FeS@rGO材料的TEM电镜图。

图6为实施例1中生物合成的FeS@rGO材料的 HRTEM电镜图(a)和EDS谱图(b) 。

图7为实施例1中不同方法制备的FeS@rGO以及化学法制备的FeS对废水中Cr⁶⁺的去除效果图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行具体描述，其目的在于更好的理解本发明的技术内涵，但是本发明的保护范围不限于以下的实施范围。

实施例1：

(1) 希瓦氏菌的培养：选取菌种奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)，购自ATCC美国模式菌种保藏中心，菌种编号ATCC700550；向200 mL的LB培养基(含酵母提取物5 g/L，胰蛋白胨10 g/L和氯化钠5 g/L，pH＝7)中接入希瓦氏菌菌种，于温度30 ℃、震荡转数200 rpm培养12 h，获得菌液；

(2) 缓冲体系的构建：其具体成分包括 Na₂HPO₄·12H₂O 17.8 g/L、 KH₂PO₄ 3 g/L、NaCl 0.5 g/L、 NH₄Cl 0.5g/L、 18 mM 乳酸钠、 CaCl₂ 0.1 mM、 MgSO₄ 1 mM、GO 50 mg/L；

(3) GO转化为rGO；将培养好的希瓦氏菌取出，根据浓度换算将浓度控制在OD₆₀₀＝0.5，离心取菌泥分散至步骤（2）中混合体系中，恒温振荡培养的条件控制在温度4～50℃、摇床转速100～250rpm、培养时间是4～36h，GO被缓慢还原为rGO；

(4) FeS@rGO的合成：在厌氧条件下向rGO体系中加入0.5 mM的水溶性三价含铁盐和0.5 mM水溶性硫酸盐，恒温振荡培养的条件控制在温度4～50 ℃、摇床转速100～250 rpm、培养时间是4～36 h，获得FeS@rGO材料；

(5) FeS@rGO材料的回收：用10% SDS溶液和厌氧超纯水充分洗涤去除细胞及杂质，收集沉淀，离心转速控制在4000～12000 rpm，时间5～15 min。

对本实施例所制备的生物合成FeS@rGO复合材料（标记为①）进行性能指标测试：

（1）TEM表征样品制备：在厌氧工作站中取适量步骤（7）合成后的溶液，8000 rpm离心5min，弃上清，用100％乙醇清洗两次，再用无氧水清洗3次，分散到无水乙醇中，取10 μL滴于铜网上，置于真空干燥箱中晾干后进行透射电子显微镜表征。图5为实施例1生物合成的FeS@rGO复合材料的TEM电镜图。由图5可见图中呈薄沙状为rGO，FeS呈小颗粒状均匀分布在石墨烯片层上，FeS颗粒粒径约为20-30 nm。

（2）HRTEM表征：图6为实施例1生物合成的FeS@rGO复合材料的的高分辨透射电子显微镜图片。图6（a）为HRTEM电镜图，从中可以看出FeS@rGO复合材料为晶格条纹间距；图6（b）为 EDS谱图，从谱图中看出其中Fe和S元素占主导成分，与实验结果相符。

（3）XRD表征样品制备：样品的处理要在严格的厌氧环境中进行，将合成后的溶液8000 rpm离心10 min，弃上清，用无氧水洗涤3次，5000 rpm离心5 min，弃上清之后用75%、100％乙醇和丙酮各清洗两次，将所收集的沉淀置于厌氧工作站中干燥。使用玛瑙研钵将干燥后的黑色固体研磨成均匀的粉末，取适量粉末进行X射线衍射分析表征。

图4为实施例1~4中制备的生物合成的FeS@rGO复合材料的XRD图谱，其中生物合成的rGO为对照组。与标准卡片（JADE6）对比，本发明中生物合成的FeS@rGO复合材料在2θ为28.4±0.2有cF 8构型铁矿铁硫化物的特征峰，对应FeS在（111）晶面的衍射峰，在40.5±0.2、50±0.2、58.6±0.2、66.4±0.2、73.5±0.2有tP 4构型铁矿铁硫化物的特征峰，分别对应FeS在（111）、（112）、（211）、（113）、（203）晶面的特征峰。说明实施例1中生物合成的FeS的晶体构型主要是cF 8和tP 4型。

（4）将生物合成的FeS@rGO复合材料用于去除废水中六价铬的测定：

采用化学合成法制备FeS@rGO材料，具体方法如下：将2.02 g Fe(NO₃)₃·9H₂O溶解于20mL去离子化(DI)水中，在剧烈搅拌下加入6 mL GO水溶液(5 mg/mL)。超声1 h后，滴加新鲜Na₂S·9H₂O溶液(1.802 g / 10 mL DI水)，连续搅拌1小时，超声1小时，真空过滤收集沉淀，用去离子水洗涤6次。最后，将沉淀转移到石英管炉中，在氩气气氛中400℃退火2小时，得到FeS@rGO复合材料。

采用化学法合成FeS材料：将2.02 g Fe(NO₃)₃·9H₂O溶解于20 mL去离子化(DI)水中，超声1 h后，滴加新鲜Na₂S·9H₂O溶液(1.802 g / 10 mL DI水)，连续搅拌1小时，超声1小时，真空过滤收集沉淀，用去离子水洗涤6次，得到FeS材料。

图7为实施例1生物合成的FeS@rGO复合材料对于含Cr⁶⁺的废水的去除效果图，其中对照组为化学合成的FeS材料和化学合成的FeS@rGO复合材料。按照实施例1合成类型一FeS@rGO复合材料作为实验组，另制备化学法合成FeS材料和化学合成的FeS@rGO复合材料作为对照组，采用邻菲罗啉法测定Fe²⁺，控制30 ml缓冲体系中Fe²⁺的浓度为0.1 mM，投加的Cr⁶⁺为200 μM，测定0、10、20、30、60 min Cr⁶⁺的剩余量。从图中可以看出，化学合成FeS材料去除率最低，只能去除30.9 μM的Cr⁶⁺，去除率为16.01%；化学合成FeS@rGO复合材料次之，约去除75.1 μM的Cr6+，去除率为39.17%；生物合成FeS@rGO复合材料去除率最高，能去除179.7 μM的Cr⁶⁺，去除率为90.47%。

实施例2：

与实施例1基本相同，仅将投加的氯化铁和硫代硫酸钠终浓度控制为1 mM，获得得到FeS@rGO复合材料，标记为②；对本实施例中制备的FeS@rGO进行XRD表征。

实施例3：

与实施例1基本相同，仅将投加的氯化铁和硫代硫酸钠终浓度控制为5 mM，获得得到FeS@rGO复合材料，标记为③；对本实施例中制备的FeS@rGO进行XRD表征。

实施例4：

与实施例1基本相同，仅将投加的氯化铁和硫代硫酸钠终浓度控制为10 mM，获得FeS@rGO复合材料，标记为④；对本实施例中制备的FeS@rGO进行XRD表征。

图1-3为实施例1~4中构建不同类型FeS@rGO复合材料的生物合成过程，图1为初始反应状态，向体系中分别投加了四种浓度的氯化铁和硫代硫酸钠，其中①②③④投加的浓度分别为0.5，1，5，10 mM，其余成分均保持一致，溶液呈淡黄褐色；图2为中间反应时刻，溶液呈灰色，中间悬浮大量细小颗粒；图3为实施例1~4最终合成的四种FeS@rGO的悬浊液图，其中高浓度体系已完全变成黑色。长时间静置后FeS@rGO均沉淀到底部，上层溶液澄清透明，洗涤后获得FeS@rGO复合材料。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，利用异化金属还原菌在代谢过程中分解有机物产生电子，将氧化石墨烯（GO）转化为还原性石墨烯（rGO）；再利用水溶性硫酸盐和三价铁作为最终电子受体，生物合成FeS纳米颗粒并锚定于rGO片层上，获得生物合成的FeS@rGO复合材料。

2.根据权利要求1所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）预先培养活性良好的异化金属还原菌并准备GO水溶液；

（2）取少量GO水溶液分散于缓冲溶液中，添加一定浓度的有机物，超声15 min使体系混合均匀；

3.根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（1）中，所述异化金属还原菌包括但不限于奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)、硫还原地杆菌(Geobacter sulfurreducens)。

4.根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（2）中，所述GO浓度控制在20-500 mg/mL；所述反应缓冲溶液包括Tris-HCl缓冲液、PBS缓冲液、MOPS缓冲溶液、HEPES缓冲液、磷酸盐缓冲液等缓冲溶液。

5. 根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（2）中所述有机物为乳酸、乙酸、葡萄糖或甲酸中的任一种；所述有机物在缓冲体系中的终浓度为1-100 mmol/L。

6.根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（3）中，所述异化金属还原菌在混合体系中OD₆₀₀为0.1-4。

7.根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（4）中，所述水溶性三价铁盐为氯化铁、硫酸铁、硫酸铁铵或柠檬酸铁中的任一种；所述水溶性三价铁盐在rGO体系中的终浓度为0.1-10 mmol/L。

8. 根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（4）中，所述水溶性硫酸盐溶液为硫酸盐、亚硫酸盐、硫化盐中的任一种；所述水溶性硫酸盐溶液在rGO体系中的终浓度为0.1-10 mmol/L。

9. 根据权利要求2所述的FeS@rGO材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（3）和步骤（4）中所述恒温振荡培养条件均为：温度4~50 ℃，摇床转速100~250 rpm，培养时间4~36 h。