CN110203907B - 一种利用胞外聚合物还原氧化石墨烯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用胞外聚合物还原氧化石墨烯的方法，该方法首先从自然界中分离、筛选得到目标菌株，然后对该菌株进行培养使其产生大量的胞外聚合物，将收集提纯后的胞外聚合物加入到氧化石墨烯悬浮液中，调节溶液pH呈酸性，施加光照进行还原反应，最后分离、干燥得到还原氧化石墨烯。该方法所依赖的还原剂来源丰富、价廉易得，反应条件容易满足，氧化石墨烯还原程度高，成本较低且易于工业化。

Description

一种利用胞外聚合物还原氧化石墨烯的方法
技术领域
本发明涉及碳材料技术领域，具体涉及一种利用胞外聚合物还原氧化石墨烯的方法。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维碳质材料。基于理想的晶格结构和独特的电学、光学、力学、热学等性质，石墨烯在电子器件、生物和化学传感器、储能器件及复合材料等领域有着广泛的应用前景。石墨烯易团聚、难分散，通常需经过表面改性处理将其制成氧化石墨烯。由于氧化石墨烯(GO)含氧基团数目多且几乎不导电，限制了其在电子器件方面的应用，要恢复其导电性必须对氧化石墨烯进行还原。
传统氧化石墨烯的还原方法主要包括还原剂还原法、紫外辐照还原法和电化学还原法。常用的还原剂包括水合肼、二甲基肼、酚类、硼氢化钠、硫化合物和醇类等，这些还原剂通常具有较高的毒性无法大规模使用，如水合肼为强致癌物质，有腐蚀性且易***。紫外辐照还原法不仅对设备要求高而且能耗大，导致经济成本高。电化学还原法电能消耗大、运行费用高。于是寻找一种安全、环保、经济的绿色还原剂，并将其用于氧化石墨烯的大规模还原显得尤为重要。
孙东平等人(CN103408002A、CN103395775A)公开了利用微生物燃料电池阳极菌、反硝化细菌还原氧化石墨烯的方法。该方法与本申请相比，区别在于本发明采用细菌分泌物EPS作为还原剂，EPS具有来源丰富、提取过程绿色、经济、易保存等优点，使用时无需培养菌种直接将EPS与GO悬浮液混合，通过控制反应体系的温度、pH、光照等条件，充分利用EPS的还原特性将GO表面的含氧官能团脱去，还原条件简单、安全、易达到，还原程度高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种新型的绿色还原剂并将其应用于氧化石墨烯的工业化大规模还原。该绿色还原剂具体为细菌的胞外聚合物(EPS)，具有原材料来源广、易获得、反应条件简单易达到、还原程度高等优点，工业化应用经济可行。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下：
一种利用胞外聚合物还原氧化石墨烯的方法，包括以下步骤：(a)将目标菌株(如嗜碱芽孢杆菌等)接种到培养基中进行培养，分离提纯得到胞外聚合物EPS；(b)将胞外聚合物EPS加入到氧化石墨烯悬浮液中，调节混合液pH至酸性，在光照条件下反应，分离提纯得到还原氧化石墨烯。
进一步的，步骤(a)中所述目标菌株包括Klebsiellasp(克雷伯氏菌)、Bacillussp.(嗜碱芽孢杆菌)、Bacillus subtilis(枯草芽孢杆菌)、Pputida和Escherichia coli(革兰氏阴性菌)、Aspergillus nigra(烟曲霉菌)等。这些目标菌株是从自然界中分离、筛选得到。
进一步的，步骤(a)制备胞外聚合物EPS的方法具体如下：将目标菌株接种到Luria-Bertani(LB)培养基中活化培养，取活化后的菌液接种到LB培养基中扩大培养，接着将细菌培养物冷冻离心，收集上清液，经稀释、静置处理后过滤，所得沉淀物再次冷冻离心后与去离子水混合，最后透析、干燥即可。
更进一步的，混合时目标菌株与LB培养基的体积比为1:1-50，活化及扩大培养温度为20-40℃，活化及扩大培养时间分别为0.5-12h、12-80h，扩大培养时的搅拌速度不超过500r/min；冷冻离心均在0-10℃、2000-12000g下进行，冷冻离心时间2-30min；稀释时上清液与稀释剂无水乙醇的体积比1:2-5，所得稀释液置于0-8℃环境中静置24-96h；透析时间为2-5d，透析袋截留分子量为3000-25000，透析完成后冷冻干燥得EPS纯化样品。
进一步的，步骤(b)中氧化石墨烯悬浮液的质量分数不超过1.0g/L。
进一步的，步骤(b)中混合液所含胞外聚合物EPS与氧化石墨烯的质量比为1:1-12。
进一步的，步骤(b)中调节混合液的pH至4-7，然后在20-40℃充分反应，分离所得固体用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到还原氧化石墨烯。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：EPS提取后可以长期保存，需要使用时无需临时培养菌种，可直接将EPS与GO悬浮液混合；通过控制反应体系的温度、pH、光照等条件，利用EPS的还原特性能够将GO表面的含氧官能团彻底脱去；还原剂原材料绿色易获得，还原条件简单、安全、易达到，还原程度高。
附图说明
图1为本发明实施例1中胞外聚合物在光照、遮光条件下的GO还原效果对比图；
图2为本发明实施例2中胞外聚合物在光照条件下GO还原效果与反应时间的关系曲线图；
图3为本发明实施例3中胞外聚合物在光照条件下GO还原效果与还原剂浓度的关系曲线图；
图4为本发明实施例5中胞外聚合物在光照条件下GO还原效果与反应温度的关系曲线图；
图5为本发明实施例1由胞外聚合物还原的还原氧化石墨烯和原始氧化石墨烯红外光谱对比图；
图6为本发明实施例1由胞外聚合物还原的还原氧化石墨烯和原始氧化石墨烯XRD图谱。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。
本发明所使用的供试菌株为Bacillus sp.NT-10(嗜碱芽孢杆菌NT-10)，是从湖北省武汉市汤逊湖污水处理厂的好氧活性污泥中提取而来。实验发现，上述所列其他类型菌株(单一或混合使用)也能实现与嗜碱芽孢杆菌相同或近似的效果，为简便起见实施例中不再赘述。
本发明所使用的LB液体培养基配制方法如下：将胰蛋白胨5g、酵母提取物2.5g、氯化钠5g溶解于500mL超纯水中，调节pH至7.00±0.05。
该菌株分泌的胞外聚合物EPS制备过程如下：将2mL提取到的菌种加入到20mL LB液体培养基中，在37℃下活化培养6h，得到活化后的菌液；在37℃、150r/min的条件下，于LB液体培养基中将活化后的菌液扩大培养72h；将扩大培养所得微生物培养物冷冻离心(4℃、5000g、15min)后收集上清液，再加入三倍体积的无水乙醇进行稀释，搅拌均匀后在4℃条件下静置沉淀，过滤；所得沉淀物冷冻离心(4℃、10000g、5min)后用去离子水溶解，接着转移至截留分子量为14000的透析袋中，置于装有去离子水的大烧杯中透析3天，最后取出冷冻干燥，得到EPS纯化样品。
实施例1
采用改进Hummer法以鳞片状石墨为原料先合成氧化石墨，再称取一定质量的氧化石墨，用高剪切分散搅拌机将其分散在去离子水中，利用超声波细胞破碎机对氧化石墨进行剥离，最后在4000r/min下离心，所得上清液即为氧化石墨烯悬浮液，浓度约为600mg/L。
准备两组氧化石墨烯悬浮液，按照胞外聚合物：氧化石墨烯＝1:3的质量比向其中加入制备好的EPS纯化样品，用HCl、NaOH调节溶液的pH值至5.0。将混合液密封后置于25℃环境中，分别在3600LX光照强度和遮光条件下搅拌反应。72h后过滤，所得固体用去离子水洗涤多次后冷冻干燥，得到还原氧化石墨烯。
在0h和72h取样，利用紫外分光光度计进行测试，结果如图1所示。图1表明，有、无光照条件下胞外聚合物均能还原氧化石墨烯，光照条件下较遮光条件下氧化石墨烯的还原程度更好。
实施例2
采用改进Hummer法以鳞片状石墨为原料先合成氧化石墨，再称取一定质量的氧化石墨，用高剪切分散搅拌机将其分散在去离子水中，利用超声波细胞破碎机对氧化石墨进行剥离，最后在4000r/min下离心，所得上清液即为氧化石墨烯悬浮液，浓度为300mg/L。
按照胞外聚合物：氧化石墨烯＝1:3的质量比，向氧化石墨烯悬浮液中加入制备好的EPS纯化样品，用HCl、NaOH调节溶液的pH值至5.0。将混合液密封后置于25℃环境中，在3600LX光照强度下搅拌反应。分别在0h、4h、8h、12h、24h、48h、72h取样放入密封的小玻璃瓶中观察，结果如图2所示。图2表明，随着反应时间的增加反应液颜色加深，表明得到的还原氧化石墨烯在水中的分散性变差，这说明随着反应时间的增加氧化石墨烯逐渐被还原。
实施例3
采用改进Hummer法以鳞片状石墨为原料先合成氧化石墨，再称取一定质量的氧化石墨，用高剪切分散搅拌机将其分散在去离子水中，利用超声波细胞破碎机对氧化石墨进行剥离，最后在4000r/min下离心，所得上清液即为氧化石墨烯悬浮液，浓度300mg/L。
按照胞外聚合物：氧化石墨烯＝1:1.5、1:3、1:6、1:12的质量比，分别向氧化石墨烯悬浮液中加入制备好的EPS纯化样品(其中空白组不加EPS)，用HCl、NaOH调节溶液的pH值至5.0。将混合液密封后置于25℃环境中，在3600LX光照强度下搅拌反应。72h后取样放入密封的小玻璃瓶中观察，结果如图3所示。图3表明，不同浓度的胞外聚合物均能还原氧化石墨烯，还原程度随胞外聚合物浓度的增加逐渐增大。
实施例4
采用改进Hummer法以鳞片状石墨为原料先合成氧化石墨，再称取一定质量的氧化石墨，用高剪切分散搅拌机将其分散在去离子水中，利用超声波细胞破碎机对氧化石墨进行剥离，最后在4000r/min下离心，所得上清液即为氧化石墨烯悬浮液，浓度300mg/L。
按照胞外聚合物：氧化石墨烯＝1:3的质量比，向氧化石墨烯悬浮液中加入制备好的EPS纯化样品，用HCl、NaOH调节溶液的pH值至4、5、6、7。将混合液密封后置于25℃环境中，在3600LX光照强度下搅拌反应。反应72h后，用去离子水清洗反应液，冷冻干燥得到还原氧化石墨烯。结果表明，在酸性条件下胞外聚合物均能还原氧化石墨烯。
实施例5
采用改进Hummer法以鳞片状石墨为原料先合成氧化石墨，再称取一定质量的氧化石墨，用高剪切分散搅拌机将其分散在去离子水中，利用超声波细胞破碎机对氧化石墨进行剥离，最后在4000r/min下离心，所得上清液即为氧化石墨烯悬浮液，浓度300mg/L。
按照胞外聚合物：氧化石墨烯＝1:3的质量比，向氧化石墨烯悬浮液中加入制备好的EPS纯化样品，用HCl、NaOH调节溶液的pH值至5.0。将混合液密封后置于20、25、30、40℃环境中，在3600LX光照强度下搅拌反应。72h后取样测试，结果如图4所示。图4表明，不同反应温度条件下胞外聚合物均能还原氧化石墨烯，且温度升高还原速度加快，但是25℃时胞外聚合物最稳定。
为充分了解还原前后的变化，以实施例1中的氧化石墨烯悬浮液(原始氧化石墨烯)、最终产物还原氧化石墨烯为原料，进行了FTIR、XRD分析测试，结果分别如图5-6所示。图5中对应氧官能团峰强C＝O和环氧基的C-O-C伸缩振动峰的强度明显降低，表明氧化石墨烯量减少了，即反应后GO表面的含氧官能团被还原得到还原氧化石墨烯。由图6可知，反应后氧化石墨烯特征衍射峰G：10.92°消失，这表明反应后层状结构被剥落，生成还原氧化石墨烯。

Claims (5)

1.一种利用胞外聚合物还原氧化石墨烯的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（a）将目标菌株接种到LB培养基中进行培养，分离提纯得到胞外聚合物EPS；所述目标菌株包括嗜碱芽孢杆菌、克雷伯氏菌、枯草芽孢杆菌、革兰氏阴性菌、烟曲霉菌，该目标菌株是从自然界中分离、筛选得到；
（b）将胞外聚合物EPS加入到氧化石墨烯悬浮液中，调节混合液pH至4-7，在光照条件下于20-40℃充分反应，分离所得固体用去离子水洗涤后冷冻干燥，得到还原氧化石墨烯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（a）制备胞外聚合物EPS的方法具体如下：将目标菌株接种到LB培养基中活化培养，取活化后的菌液接种到LB培养基中扩大培养，接着将细菌培养物冷冻离心，收集上清液，经稀释、静置处理后过滤，所得沉淀物再次冷冻离心后与去离子水混合，最后透析、干燥即可。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：混合时目标菌株与LB培养基的体积比为1:1-50，活化及扩大培养温度为20-40℃，活化及扩大培养时间分别为0.5-12h、12-80h，扩大培养时的搅拌速度不超过500r/min；冷冻离心均在0-10℃、2000-12000g下进行，冷冻离心时间2-30min；稀释时上清液与稀释剂无水乙醇的体积比为1:2-5，所得稀释液置于0-8℃环境中静置24-96h；透析时间为2-5d，透析袋截留分子量为3000-25000，透析完成后冷冻干燥得EPS纯化样品。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（b）中氧化石墨烯悬浮液的质量分数不超过1.0g/L。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（b）混合液中胞外聚合物EPS与氧化石墨烯的质量比为1:1-12。
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