CN113229292A - 一种Cu/C复合纳米片层材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Cu/C复合纳米片层材料及其制备方法与应用，属于纳米复合材料领域。该制备方法主要包括两部分：葡萄糖酸铜的水热处理和气氛炉煅烧，首先将葡萄糖酸铜溶于水中，搅拌均匀，获得淡蓝色溶液，然后将该溶液置入高压反应釜中，水热反应一段时间后，自然冷却至室温获得反应物，将该反应物离心、取沉淀洗涤、干燥，获得初成品，将初成品充分研磨后在气氛炉中煅烧，自然冷却至室温获得Cu/C复合纳米片层材料。本发明的制备方法具有原材料来源丰富、简单、成本低廉等优势，且得到的最终产物对大肠杆菌具有很高的抑菌能力，在抗菌领域具有重要的应用前景。

Description

一种Cu/C复合纳米片层材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于纳米复合材技术用领域，具体涉及一种Cu/C复合纳米片层材料及其制备方法与应用。
背景技术
由微生物感染所引起的传染性疾病，已成为全球公共卫生治理所面临的主要挑战。随着人类生存环境的改善和社会的进步，人们越来越关心自身的健康状况以及环境问题，减少和有效防止环境中微生物对人类生活的伤害和侵扰、削减以此产生的细菌感染，也逐渐成为人类的共识。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌是我们最常见的传染性细菌的主要代表。在日常生活中，细菌感染可能导致一些严重的疾病，例如，溶血贫血，肺炎，假膜性结肠炎，心包炎，败血症肾脏有急性肾功能衰竭等。通过抗生素来抑制细菌的繁殖和生长是常用的抗菌手段，抗生素能干扰细菌细胞发育，被提取出后广泛应用于抑制和消灭细菌。然而，据了解有超过70%左右的细菌，会对一种或多种抗生素逐渐产生耐药性。随着抗生素的广泛应用，具有耐药性的病原菌或病原体，正在威胁着人类的健康安全和生态环境。因此，不易产生耐药性的无机抗菌材料，受到了越来越多的关注。与抗生素相比，Ag、Cu、Zn及其化合物等纳米材料具有广谱抗菌、无毒、抗菌时效长、低耐药性、高效抗菌性等特点。目前纳米抗菌材料已广泛应用于包装、医疗、环保、建筑等诸多领域。但是，保持长期稳定性和对于这些纳米颗粒的分散性仍然是一个麻烦的问题。近期科研人员发现，基于生物碳模板的Ag、Cu、Zn等及其化合物纳米材料，显示出了优异的稳定性和抗菌活性。与Ag、Zn的纳米材料相比，Cu的纳米材料具有高敏感、成本低廉易得、快速易制备、原材料来源丰富等特性，已成为高效抗菌的理想选择。
发明内容
本发明针对抗菌时效性和长期稳定性的问题，提供了一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，该制备方法简单，成本低，生物相容性好，片层结构使材料具有优异的杀菌效果。
本发明为实现上述目的，提供如下技术方案：
所述Cu/C复合纳米片层材料采用葡萄糖酸铜为原料，先水热碳化，再在气氛炉中煅烧，包括如下步骤：
（1）葡萄糖酸铜溶解：将葡萄糖酸铜溶于超纯水中，磁力搅拌直至溶解，得到葡萄糖酸铜水溶液；
（2）水热合成：将上述葡萄糖酸铜水溶液转移至高压反应釜中，在烘箱中恒温处理，得到纳米材料；
（3）离心洗涤干燥：将上述纳米材料离心，取沉淀并用超纯水、无水乙醇交替冲洗多次，随后在真空干燥箱中烘干；
（4）气氛炉煅烧：将步骤（3）所得的纳米材料在氮气气氛炉中，恒温处理，即得Cu/C复合纳米片层材料。
步骤（1）所述葡萄糖酸铜与水的用量比为5～10 g: 40～50 ml，磁力搅拌的时间为20～30 min。
步骤（2）所述恒温处理的温度为100～200℃，保温时间为20～30 h。
在步骤（3）所述真空干燥箱的温度为60～100 ℃，干燥时间为10～20 h。
在步骤（4）所述氮气气氛炉的温度为500～700℃，恒温时间为2～5 h。
本文采用一种简单的方法来合成了具有良好生物相容性的Cu/C复合纳米片层材料，该纳米薄片可以轻易刺破细菌的细胞壁，从而使铜离子顺利的释放到细菌内部起到系列功效，所以该材料表现出对细菌的高敏感性、可快速抑菌。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明所制备的复合纳米片层材料，其原材料为葡萄糖酸铜，可同时作为铜源和碳源，成本低，原料来源广，
2.本发明所制备的复合纳米片层材料，采用一步水热法合成，制备方法简单，反应条件温和。
3. 本发明所制备的复合纳米片层材料为薄纳米片层结构。具有较强杀菌性能，在抗菌领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明Cu/C复合纳米片层材料的XRD图。
图2为本发明Cu/C复合纳米片层材料的TEM图。
图3为本发明Cu/C复合纳米片层材料的AFM图。
图4为本发明Cu/C复合纳米片层材料作用前后细菌的SEM图；
其中，图4A为细菌单独培养的形态；图4B为细菌与Cu/C复合纳米片层材料共同培养的细菌形态。
图5为本发明Cu/C复合纳米片层材料对大肠杆菌抗菌效果的统计图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。除了特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
实施例1
一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，包括如下具体步骤：
（1）葡萄糖酸铜溶解：称取5 g葡萄糖酸铜溶于40 ml超纯水中，磁力搅拌直至溶解，约30 min，得到葡萄糖酸铜水溶液；
（2）水热合成：将上述葡萄糖酸铜水溶液转移至50 ml的高压反应釜中，在烘箱中170 ℃恒温16 h；
（3）离心洗涤干燥：将步骤（2）所得的纳米粒子离心，取沉淀并用超纯水、无水乙醇交替冲洗5～6次，随后在真空烘箱中60 ℃烘干10 h；
（4）去除离子残留：将步骤（3）所得的纳米粒子在氮气气氛炉中，600 ℃ 恒温保持3 h，即得Cu/C复合纳米片层材料。
上述方法制备的Cu/C复合纳米片层材料应用于快速杀菌，包括如下步骤：
（1）将大肠杆菌（E. coli）在肉汤培养基中培养18 h，并将细菌浓度调节至1×107CFU/ml；
（2）将1 mg 负载Cu粒子的Cu/C复合纳米片层材料加入到1 ml细菌溶液中并充分混合；
（3）将菌液分别导入培养皿与琼脂一起培养，37℃培养18 h，然后通过菌落计数法测试材料的抗菌性能。
实施例2
一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，步骤（2）水热过程是在烘箱中170 ℃恒温24 h，其余步骤同实施例1。
所制备的Cu/C复合纳米片层材料的抑菌试验同实施例1。
实施例3
一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，步骤（2）水热过程是在烘箱中170℃恒温28 h，其余步骤同实施例1。
所制备的Cu/C复合纳米片层材料的抑菌试验同实施例1。
实施例2制备的Cu/C复合纳米片层材料所测的XRD图,如图1所示。Cu/C复合纳米片层材料的衍射峰，分别对应于铜元素（Cu，JCPDS）的（1 1 1），（2 0 0）和（2 2 0）晶面。另外，从XRD图没有观察到其他衍射峰。这表明已经形成了Cu纳米颗粒,且具有良好的结晶度。
实施例2制备的Cu/C复合纳米片层材料的TEM图,如图2所示。可以看到碳纳米片上负载了Cu纳米粒子，纳米粒子粒径约为10-15 nm。
实施例2制备的Cu/C复合纳米片层材料的AFM图,如图3所示。由于统计结果可以更可靠地获得样品的厚度和横向尺寸，因此我们选择了多个纳米片来测量样品的厚度和尺寸，以确保结果尽可能准确。 从图中可以看出，纳米片的尺寸主要为2-4μm。 厚度约为5.8nm。 这与TEM结果一致，证明了碳纳米片的存在。
实施例2制备的Cu/C复合纳米片层材料作用前后细菌的SEM图,如图4所示。首先，观察到没和材料一起培养的细菌的形态（图4A），发现由于脱水处理，细胞表面略微起皱，但是形态是规则的并且结构保持完整。当与实施例2制备的Cu/C复合纳米片层材料共培养时，在大肠杆菌周围发现了许多物质，并且观察到了细胞干瘪变形和孔洞（图4B）。 这可能是因为该材料粘附到细菌的表面并与细胞壁相互作用，从而刺穿细菌的细胞壁并导致细胞内容物泄漏和凋亡。这表明碳纳米片可以有效刺穿细胞壁，并且铜颗粒通过刺穿的孔进入细菌并使它们死亡。
实施例1-3制备所得不同水热时间的Cu/C复合纳米片层材料在相同浓度下对大肠杆菌的抗菌效率的统计图如图5所示。从图中可以看出，随着水热时间的增加，抗菌作用逐渐先增强后减弱。图5显示了材料对大肠杆菌的抗菌性能，当水热时间为24 h时，灭菌率高达99.8％，当水热时间为28 h时，灭菌率明显下降。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）葡萄糖酸铜溶解：将葡萄糖酸铜溶于水中，磁力搅拌直至溶解，得到葡萄糖酸铜水溶液；
（2）水热合成：将上述葡萄糖酸铜水溶液转移至高压反应釜中，在烘箱中恒温处理，得到纳米材料；
（3）离心洗涤干燥：将上述纳米材料离心，取沉淀并用水、无水乙醇交替冲洗多次，随后在真空干燥箱中烘干；
（4）气氛炉煅烧：将步骤（3）所得的纳米材料在氮气气氛炉中，恒温处理，即得Cu/C复合纳米片层材料。
2. 根据权利要求1所述的一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述葡萄糖酸铜与水的用量比为5～10 g: 40～50 ml，磁力搅拌的时间为20～30 min。
3. 根据权利要求1所述的一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述恒温处理的温度为100～200℃，保温时间为20～30 h。
4. 根据权利要求1所述的一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，其特征在于，在步骤（3）所述真空干燥箱的温度为60～100 ℃，干燥时间为10～20 h。
5. 根据权利要求1所述的一种Cu/C复合纳米片层材料的制备方法，其特征在于，在步骤（4）所述氮气气氛炉的温度为500～700℃，恒温时间为2～5 h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法得到的Cu/C复合纳米片层材料。
7.如权利要求6所述的Cu/C复合纳米片层材料在抗菌材料中的应用。
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