CN116515633A - 一种捕光产氧功能核壳材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种捕光产氧功能核壳材料，该核壳材料是以硅藻为核，二氧化硅/二氧化钛为壳的核壳结构材料，本发明首先运用原位沉积法在以活性硅藻为基底的表面引入有机硅氧烷，通过溶胶‑凝胶过程发生水解‑缩合反应生成二氧化硅壳层来实现硅藻再硅化，然后在二次硅化基础上通过气相溶胶‑凝胶再次沉积二氧化钛纳米颗粒，从而制备得到具有捕光产氧功能的核壳材料。本发明通过对活性硅藻进行特殊结构的构筑，不仅增强了硅藻存活的稳定性，而且有效强化了其捕光产氧的功能，提高了光合作用的效率。本发明操作简单、反应温和、方法绿色环保，在仿生光合材料领域有着潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物矿化材料技术领域，具体涉及一种捕光产氧功能核壳材料。
背景技术
光合作用是地球上生物赖以生存的基础，光能的吸收是光合作用的第一步。不同的光合生物为适应不同的光环境，进化出了各自独特的捕光系统。地球上生命利用的能源最终来源于光合作用捕获的太阳能，其中海洋中的藻类对全球光合作用的贡献接近50％。硅藻是海洋中最“成功”的浮游光合生物之一，它是典型的具有从纳米到微米尺度的复杂多孔壳形态和特征的微观藻类，硅藻表面的二氧化硅外壳，不仅有利于硅藻对养分的吸收和废物的交换，还为其赋予了良好的化学稳定性和热稳定性，以及抵抗微生物攻击的能力。迄今为止，无机物在硬组织中的沉积是在细胞和有机分子的直接或主动控制下发生的，随之生物矿化、生物钙化和生物硅化等机制备受关注。生物矿化是生物体使用材料来保护和功能化自身的有效策略。例如Tang课题组通过仿生硅化为蓝藻提供了一个人工生物二氧化硅外壳，使得蓝藻@SiO2的光合在高光条件下变得更有效，但蓝藻对强光非常敏感，过量的光会显著抑制它们的光合作用，且天然蓝藻由于细胞表面缺乏硅化相关蛋白，如硅蛋白或硅酸盐蛋白，蓝藻很难诱导自发性硅化。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种操作简单、原料易得、反应温和且绿色环保，以活性硅藻为模板在其表面二次硅化后与二氧化钛复合的捕光产氧功能核壳材料。
针对上述目的，本发明提供的捕光产氧功能核壳材料由下述方法制备得到：
(1)硅藻的扩培
将硅藻加入海水中，在无菌、密闭、光照充足环境中进行培养，培养温度为10～40℃，期间定时摇晃以促进硅藻生长繁殖，得到扩培后的硅藻溶液；
(2)制备硅藻/SiO2复合微球
向扩培后的硅藻溶液中加入有机硅氧烷，室温搅拌反应30～70小时，反应完后用无水乙醇与去离子水的混合溶液离心洗涤，除去未反应完的有机硅氧烷和硅藻，得到角毛藻/SiO2复合微球；
(3)制备捕光产氧功能核壳材料
将硅藻/SiO2复合微球、钛酸四丁酯、无水乙醇混合均匀，室温下持续通入氨气进行反应，反应3～6小时后，得到硅藻/SiO2/TiO2核壳材料，即捕光产氧功能核壳材料。
上述步骤(1)中，所述硅藻为新月菱形藻、三角褐指藻、角毛藻等中任意一种。
上述步骤(1)中，优选所述海水的盐度控制在10～30。
上述步骤(1)中，优选所述海水与硅藻的体积比为2～6:1。
上述步骤(1)中，优选所述培养温度为25～28℃，培养时间为3～4天。
上述步骤(1)中，进一步优选培养设定一天光照周期为12～16小时光照、8～12小时黑暗，光照使用的光源为自然光源或LED光源。所述摇晃的次数为2～6次，每次摇晃时间为10～300秒。
上述步骤(2)中，优选所述有机硅氧烷与扩培后的硅藻溶液的体积比为1:10～100；所述无水乙醇与去离子水的体积比为1:10～20。
上述步骤(2)中，进一步优选所述有机硅氧烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、正硅酸丁酯、3-甲基丙烯酸丙酯三甲氧基硅烷中任意一种。
上述步骤(3)中，优选所述硅藻/SiO2复合微球、钛酸四丁酯、无水乙醇的质量比为1:2～6:0.6～2。
本发明的有益效果如下：
1、本发明首先运用原位沉积法在以活性硅藻为基底的表面引入有机硅氧烷，通过溶胶-凝胶过程发生水解-缩合反应生成二氧化硅壳层来实现硅藻再硅化，然后在二次硅化基础上通过气相溶胶-凝胶法再次沉积二氧化钛纳米颗粒，从而构筑以硅藻为核、二氧化硅/二氧化钛为壳的核壳结构，得到具有捕光产氧功能的核壳材料，增强了活性硅藻的稳定性，并且在可见光照射下提高了其捕光产氧的效率。
2、本发明所使用的沉积方法新颖独特，操作简单、原料易得、反应条件温和且绿色环保，可操作性强。
附图说明
图1是实施例1中活性角毛藻培养的实物图。
图2是实施例1中角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料的形貌图，其中插图是实施例1中角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料形貌的EDX图。
图3是角毛藻、角毛藻/SiO2微球以及角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料的单位释氧量对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。
实施例1
(1)角毛藻扩培
将25g海水晶和1000mL自来水加到锥形瓶中，100℃下煮沸，用产生的蒸汽将牛皮纸进行消毒后快速将锥形瓶口包封，继续煮沸15分钟进行消毒，消毒后凉至室温，配制成盐度为22的海水。然后将30mL海水与10mL角毛藻加到锥形瓶中用牛皮纸封口进行无菌培养。培养温度选择25℃，置于光照充足环境中培养(选用LED光源)，一天光照周期为12小时光照、12小时黑暗，早中晚各摇晃锥形瓶一次，每次摇晃时间为20秒，以促进藻种生长繁殖(见图1)。培养4天后，得到扩培后的角毛藻溶液，其pH为8～9，符合角毛藻原本的生存环境。
(2)制备角毛藻/SiO2复合微球
向2mL扩培后的角毛藻溶液中加入75μL3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)，以300r/min的转速室温反应40小时，将反应完的样品用无水乙醇与去离子水体积比为1:15的混合溶液定容至3.5mL，以3000r/min离心多次以去除未反应完的APTMS和角毛藻，洗涤过程中上清液不再浑浊停止离心，除去上清液，得到角毛藻/SiO2复合微球。
(3)制备捕光产氧功能核壳材料
将1mL角毛藻/SiO2复合微球加入单口瓶中，加入3mL钛酸四丁酯与0.6mL无水乙醇混合均匀，室温下持续通入氨气进行反应，反应3小时后使用无水乙醇反复冲洗，得到角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料，即捕光产氧功能核壳材料(见图2)。
所得样品进行EDX能谱测试，从图2插图可以看出，角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料含有Ti、Si元素，进一步验证了捕光产氧功能的核壳材料已成功制备。
所得角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料进行克拉克氧电极释氧性能测试，与角毛藻、角毛藻/SiO2复合微球的释氧情况进行比较，从图3中可以看出，相同时间下角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料的单位释氧量是最高的，证明本实施例制备的核壳材料具有良好的捕光产氧功能。
实施例2
(1)角毛藻扩培
将26g海水晶和1000mL自来水加到锥形瓶中，100℃下煮沸，用产生的蒸汽将牛皮纸进行消毒后快速将锥形瓶口包封，继续煮沸15分钟进行消毒，消毒后凉至室温，配制成盐度为23的海水。然后将40mL海水与10mL角毛藻加到锥形瓶中用牛皮纸封口进行无菌培养。培养温度选择26℃，置于光照充足环境中培养(选用LED光源)，一天光照周期为13小时光照、11小时黑暗，早中晚各摇晃锥形瓶一次，每次摇晃时间为30秒，以促进藻种生长繁殖。培养4天后，得到扩培后的角毛藻溶液，其pH为8～9，符合角毛藻原本的生存环境。
(2)制备角毛藻/SiO2复合微球
向2mL扩培后的角毛藻溶液中加入50μLAPTMS，以300r/min的转速室温反应50小时，将反应完的样品用无水乙醇与去离子水体积比为1:15的混合溶液定容至3.5mL，以3000r/min离心多次以去除未反应完的APTMS和角毛藻，洗涤过程中上清液不再浑浊停止离心，除去上清液，得到角毛藻/SiO2复合微球。
(3)制备捕光产氧功能核壳材料
将1mL角毛藻/SiO2复合微球加入单口瓶中，加入4mL钛酸四丁酯与0.8mL无水乙醇混合均匀，室温下持续通入氨气进行反应，反应4小时后使用无水乙醇反复冲洗，得到角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料，即捕光产氧功能核壳材料。
实施例3
(1)角毛藻扩培
将27g海水晶和1000mL自来水加到锥形瓶中，100℃下煮沸，用产生的蒸汽将牛皮纸进行消毒后快速将锥形瓶口包封，继续煮沸15分钟进行消毒，消毒后凉至室温，配制成盐度为24的海水。然后将50mL海水与10mL角毛藻加到锥形瓶中用牛皮纸封口进行无菌培养。培养温度选择27℃，置于光照充足环境中培养(选用LED光源)，一天光照周期为14小时光照、10小时黑暗，早中晚各摇晃锥形瓶一次，每次摇晃时间为40秒，以促进藻种生长繁殖。培养4天，得到扩培后的角毛藻溶液，其pH为8～9，符合角毛藻原本的生存环境。
(2)制备角毛藻/SiO2复合微球
向2mL扩培后的角毛藻溶液中加入25μL APTMS，以300r/min的转速室温反应60小时，将反应完的样品用无水乙醇与去离子水体积比为1:15的混合溶液定容至3.5mL，以3000r/min离心多次以去除未反应完的APTMS和角毛藻，洗涤过程中上清液不再浑浊停止离心，除去上清液，得到角毛藻/SiO2复合微球。
(3)制备捕光产氧功能核壳材料
将1mL角毛藻/SiO2复合微球加入单口瓶中，加入5mL钛酸四丁酯与1mL无水乙醇混合均匀，室温下持续通入氨气进行反应，反应5小时后使用无水乙醇反复冲洗，得到角毛藻/SiO2/TiO2核壳材料，即捕光产氧功能核壳材料。
Claims (9)
1.一种捕光产氧功能核壳材料，其特征在于由下述方法制备得到：
(1)硅藻的扩培
将硅藻加入海水中，在无菌、密闭、光照充足环境中进行培养，培养温度为10～40℃，期间定时摇晃以促进硅藻生长繁殖，得到扩培后的硅藻溶液；
(2)制备硅藻/SiO2复合微球
向扩培后的硅藻溶液中加入有机硅氧烷，室温搅拌反应30～70小时，反应完后用无水乙醇与去离子水的混合溶液离心洗涤，除去未反应完的有机硅氧烷和硅藻，得到角毛藻/SiO2复合微球；
(3)制备捕光产氧功能核壳材料
将硅藻/SiO2复合微球、钛酸四丁酯、无水乙醇混合均匀，室温下持续通入氨气进行反应，反应3～6小时后，得到硅藻/SiO2/TiO2核壳材料，即捕光产氧功能核壳材料。
2.根据权利要求1所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(1)中，所述硅藻为新月菱形藻、三角褐指藻、角毛藻中任意一种。
3.根据权利要求2所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(1)中，所述海水的盐度控制在10～30。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(1)中，所述海水与硅藻的体积比为2～6:1。
5.根据权利要求2所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(1)中，所述培养温度为25～28℃，培养时间为3～4天。
6.根据权利要求1或5所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(1)中，所述培养设定一天光照周期为12～16小时光照、8～12小时黑暗，光照使用的光源为自然光源或LED光源。
7.根据权利要求1所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(2)中，所述有机硅氧烷与扩培后的硅藻溶液的体积比为1:10～100。
8.根据权利要求1或7所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(2)中，所述有机硅氧烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、正硅酸丁酯、3-甲基丙烯酸丙酯三甲氧基硅烷中任意一种。
9.根据权利要求1所述的捕光产氧功能核壳材料，其特征在于，步骤(3)中，所述硅藻/SiO2复合微球、钛酸四丁酯、无水乙醇的质量比为1:2～6:0.6～2。
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2023
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