CN114524470B - 一种铁酸镍纳米粒子及其绿色合成方法和应用 - Google Patents

一种铁酸镍纳米粒子及其绿色合成方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铁酸镍纳米粒子及其制备方法和促产氢应用，采用凤眼莲提取液为稳定剂和调节剂，加入镍盐和铁盐的混合液，连续搅拌反应后，再于水浴锅中恒温加热反应，获得粘性凝胶，干燥；产物进行煅烧、研磨、洗涤、干燥，制得铁酸镍纳米粒子。制备过程中除前躯体镍盐和铁盐外，无额外化学试剂加入，也无需高昂的仪器设备，操作条件温和、简单易行、经济环保，便于进一步扩大生产和应用。制得的铁酸镍纳米粒子性能稳定、粒径大小较均一，具有良好的生物相容性，将其添加至暗发酵产氢***，具有促进生物氢合成和稻草水解液中还原糖利用的效果，使得最佳添加浓度下获得的累积产氢量、葡萄糖利用率、木糖利用率较之对照处理分别显著提高。

Description

一种铁酸镍纳米粒子及其绿色合成方法和应用
技术领域
本发明属于纳米材料和生物氢能源合成调控技术领域，具体涉及一种铁酸镍纳米粒子及其绿色合成方法和促产氢的应用。
背景技术
纳米科技是21世纪人类重要的战略性新兴技术，纳米材料在社会各领域的广泛应用推动着世界工业的重大变革。迄今为止，大多数纳米材料均通过物理法或化学合成，然而，物理法在制备条件上对能源和经济要求较高，并需要稳定剂来分散制备的纳米粒子。化学法可在较短时间内生产纳米粒子，但大多使用有毒有害的化学原料，且生物相容性低，极大地限制了纳米材料在生物、医学领域的应用。近年来，随着金属纳米颗粒在生物、医学等领域应用前景的不断凸显，开发环境友好型、绿色安全的合成方法与技术引起了国内外研究者的广泛关注。
植物组织中含有多酚类、类黄酮、生物碱、萜类等天然化合物，可直接作为纳米粒子生物合成的调节剂和稳定剂，不需要添加任何额外的表面活性剂及其它化学物质，目前已成为纳米材料绿色合成的重要原料。凤眼莲是一种生长繁殖快速的水生植物，其提取液中亦含有酚类、固醇类、黄酮类、萜类、蒽醌类化合物等多种次级代谢产物，可在纳米粒子的形成和稳定中发挥主要的作用。目前已有一定研究报道凤眼莲提取液可用于一些单金属纳米粒子，如纳米银、纳米铂、纳米铁、纳米氧化锌、纳米四氧化三铁、纳米氧化镍等的绿色合成。迄今，未见以凤眼莲提取液为原料合成双金属纳米粒子的报道。
铁酸镍(NiFe2O4)是一种典型的软磁铁氧体材料，具有高饱和磁化强度、低矫顽力、良好的热稳定性和化学稳定性等性质。目前，研究者己通过水热法、溶胶-凝胶法、共沉淀法，加热回流法等制备出了颗粒状、棒状、花瓣状、球状、立方块状等结构的纳米铁酸镍，并将其应用于催化剂、信息贮存、药物传输、污水处理、气敏性测试、锂离子电池、微波元件、燃料电池等方面。然而，采用植物组织提取液合成纳米铁酸镍的相关研究尚未见报道。
在暗发酵生物制氢领域，金属Fe、Ni均可作为产氢细菌氢酶活性中心重要的结合元素从而促进氢气的产生。近年来，金属Fe、Ni及其氧化物纳米粒子添加至暗发酵产氢***，除可作为氢酶活性中心结合元素外，其表面效应和量子尺寸效应对生物氢的合成亦可起到一定促进作用，为此这些纳米粒子的制备及其在暗发酵产氢领域的应用尤为引人瞩目。单一的Fe、Ni及其氧化物纳米粒子添加至暗发酵产氢***已见一定报道，然而，以纳米铁酸镍复合形式调控纯培养产氢细菌暗发酵生物制氢的研究未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁酸镍纳米粒子及其绿色合成方法，采用凤眼莲提取液为稳定剂和调节剂，成本低、操作简单、环境友好且安全稳定。
本发明还提供了一种铁酸镍纳米粒子的应用，应用于暗发酵产氢***。
本发明具体技术方案如下：
一种铁酸镍纳米粒子绿色合成方法，包括以下步骤：
1)室温下，将凤眼莲提取液加入镍盐和铁盐的混合液，连续搅拌反应后，再于水浴锅中恒温加热反应，获得粘性凝胶，干燥；
2)步骤1)产物进行煅烧、研磨、洗涤、干燥，制得铁酸镍纳米粒子。
步骤1)中所述凤眼莲提取液的制备方法为：
取10g新鲜凤眼莲并先后用自来水或蒸馏水清洗干净，再置于研钵中研磨成泥，加蒸馏水洗涤提取物3次，共用蒸馏水50mL，每次保留沉淀，三次合并沉淀后，置于95～100℃水浴中加热提取10min，冷却至室温，抽滤、取上清并定容至50mL，得凤眼莲提取液。
所述新鲜凤眼莲为凤眼莲的茎、叶或茎叶混合物。
采用本发明凤眼莲提取液的制备方法，控制的原料用量及温度等参数，有利于获得大小15～20nm的立方球状纳米粒子。
步骤1)中，所述镍盐和铁盐的混合液中，Ni2+和Fe3+摩尔比1∶2；
步骤1)中，所述镍盐和铁盐的混合液中，镍盐终浓度为0.15mol/L，铁盐终浓度为0.30mol/L；
所述镍盐为乙酸镍或其水合盐、氯化镍或其水合盐；
所述铁盐为硝酸铁或其水合盐、氯化铁或其水合盐；
优选的，步骤1)中，所述镍盐和铁盐的混合液的制备方法为：称取镍盐和铁盐溶解在100mL去离子水中，使其终浓度分别为0.15mol/L和0.30mol/L；
步骤1)中，所述凤眼莲提取液和镍盐和铁盐的混合液的体积比为1：2；
优选的，步骤1)中，室温下，将50mL凤眼莲提取液加入到100mL镍盐和铁盐的混合液中，置于磁力搅拌器上连续搅拌15～20min；
步骤1)中所述水浴锅中恒温加热反应是指，在60℃水浴锅中恒温加热5～6h，期间每1.5h搅拌2～3min，至获得粘性凝胶。
步骤1)中所述干燥是指100℃恒温干燥箱中干燥16～18h；
步骤2)中所述煅烧是指：将产物转移至瓷坩埚中，再置于马弗炉中600～700℃煅烧6h；
步骤2)中所述研磨是指：干燥样品冷却后进一步用研钵研磨成细粉末，并过200目筛；
步骤2)中所述洗涤是指：用无水乙醇、去离子水洗涤分别洗涤3次；
步骤2)中所述干燥是指：置于80℃恒温干燥箱中烘干6～8h至恒重。
本发明提供的一种铁酸镍纳米粒子，为大小15～20nm的立方球状纳米粒子、带有来自凤眼莲提取液中酚类化合物的基团，具有良好的稳定性和生物相容性，采用上述制备方法制备得到。
本发明提供的一种铁酸镍纳米粒子的应用，用于暗发酵生物制氢。
本发明提供的铁酸镍纳米粒子用于暗发酵生物制氢的具体方法为：
将上述制备的铁酸镍纳米粒子添加至发酵培养基中，混匀后，灭菌冷却，接种Klebsiella sp.种子液，定期采用排氢氧化钠溶液法检测产氢量，逐日累积，换算120h内的累积产氢量。
进一步的，所述铁酸镍纳米粒子按照终浓度10～50mg/L加入。
本发明将铁酸镍纳米粒子添加至稻草水解液发酵产氢***，具有显著的促进生物氢合成和水解液中还原糖利用的效果，使得最佳添加浓度下获得的累积产氢量为对照处理的1.8倍，其累积产氢量提高幅度大于单一添加Fe3O4NP的提高幅度与单一添加NiONP的提高幅度之和。本发明提供的铁酸镍纳米粒子合成方法简单，操作条件温和、成本低廉、经济环保，获得的纳米粒子性能稳定、粒径大小较均一，生物相容性良好，促产氢效果显著。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点和效果：
1.本发明涉及的绿色合成铁酸镍纳米粒子的制备过程中除前躯体镍盐和铁盐外，无额外化学试剂加入，也无需高昂的仪器设备，操作条件温和、简单易行、经济环保，便于进一步扩大生产和应用；
2.本发明所制得的铁酸镍纳米粒子性能稳定、粒径大小较均一，具有良好的生物相容性，将其以一定浓度添加至暗发酵产氢***，具有促进生物氢合成和稻草水解液中还原糖利用的效果，使得最佳添加浓度下获得的累积产氢量、葡萄糖利用率、木糖利用率较之对照处理分别显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的铁酸镍纳米粒子的X射线衍射(XRD)图；
图2为本发明实施例1制备的铁酸镍纳米粒子的红外光谱(FTIR)图；
图3为本发明实施例1制备的铁酸镍纳米粒子的扫描电子显微镜(SEM)图；
图4为本发明实施例1制备的铁酸镍纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)图；
图5为本发明实施例1制备的铁酸镍纳米粒子的磁滞回线(VSM)图；
图6为本发明实施例2制备的铁酸镍纳米粒子的X射线衍射(XRD)图；
图7为本发明实施例3制备的铁酸镍纳米粒子的X射线衍射(XRD)图；
图8为本发明添加铁酸镍纳米粒子的累积产氢量曲线；
图9为本发明添加铁酸镍纳米粒子的葡萄糖和木糖利用结果；
图10为本发明添加不同纳米粒子的累积产氢量结果。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，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
一种铁酸镍纳米粒子绿色合成方法，包括以下步骤：
1)取10g新鲜凤眼莲茎叶并先后用自来水、蒸馏水清洗干净，置于研钵中研磨成泥，加蒸馏水洗涤提取物3次，共用蒸馏水50mL，每次合并沉淀，三次沉淀，合并转入烧杯中，进一步置于95～100℃水浴中加热提取10min，冷却至室温，抽滤，取上清液并定容至50mL，得凤眼莲提取液；
2)称取氯化镍和硝酸铁溶解在100mL去离子水中，使其终浓度分别为0.15mol/L和0.30mol/L；室温下，前述制备的50mL凤眼莲提取液加入到上述盐溶液中，置于磁力搅拌器上连续搅拌20min；获得的混合液置于60℃水浴锅中恒温加热6h，期间每1.5h搅拌一次，每次搅拌3min，至获得粘性凝胶；将获得的凝胶置于100℃恒温干燥箱中干燥18h；
3)制得的干燥物转移至瓷坩埚中，再置于马弗炉中700℃煅烧6h；获得的干燥样品进一步用研钵研磨成细粉末并过200目筛，再用无水乙醇、去离子水分别洗涤3次，置于80℃恒温干燥箱中烘干8h至恒重；即得铁酸镍纳米粒子。
上述制备的绿色合成铁酸镍纳米粒子的表征：
对制备的铁酸镍纳米粒子进行表征，XRD图谱如图1所示，衍射峰较尖锐，表明该样品具有较好的尖晶石结构，在18.4°、30.3°、35.7°、37.3°、43.4°、47.5°、53.8°、57.4°、62.9°、66.2°、71.5°、74.6°的衍射峰分别对应于铁酸镍的(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(422)、(511)、(440)、(531)、(620)、(533)晶面，与标准卡片JCPDS NO.10-0325完全符合，且没有其它衍射峰，说明制得了较纯的纳米铁酸镍。图2是纳米铁酸镍的红外光谱图，在603.02cm-1、417.03cm-1处显示很强的吸收峰，对应Fe-O、Ni-O的伸缩振动，在3442.26cm-1、1633.24cm-1处出现了较强的表面游离-OH吸收峰，对应于H2O分子的伸缩和弯曲振动，在2713.35cm-1处亦观察到吸收峰，代表有机分子的-CH、C＝O基团，可能来自凤眼莲提取液的酚类化合物，有助于维持纳米粒子的稳定性。图3的SEM图揭示了铁酸镍纳米粒子从表面形貌看呈立方球状结构，颗粒间有一定的团聚。图4的TEM图揭示了纳米铁酸镍的立方结构，对其晶体粒径的分析表明，该纳米粒子的平均粒径大小约为15～20nm。进一步对纳米铁酸镍进行了磁学性能测试，室温下的磁滞回线如图5所示，该绿色合成的铁酸镍纳米粒子具有软磁性特征，其饱和磁化强度Ms＝31.30emu/g。
实施例2
一种铁酸镍纳米粒子绿色合成方法，包括以下步骤：
1)取10g新鲜凤眼莲叶并先后用自来水、蒸馏水清洗干净，置于研钵中研磨成泥，加蒸馏水洗涤提取物3次，共用蒸馏水50mL，每次保留沉淀，三次合并沉淀后，进一步置于95～100℃水浴中加热提取10min，冷却至室温，抽滤并定容至50mL，得凤眼莲提取液；
2)称取乙酸镍和氯化铁溶解在100mL去离子水中，使其终浓度分别为0.15mol/L和0.30mol/L；室温下，制备的50mL凤眼莲提取液加入到上述盐溶液中，置于磁力搅拌器上连续搅拌20min；获得的混合液置于60℃水浴锅中恒温加热6h，期间每1.5h搅拌3min，至获得粘性凝胶；进一步将获得的凝胶置于100℃恒温干燥箱中干燥17h；
3)制得的干燥物转移至瓷坩埚中，再置于马弗炉中600℃煅烧6h；获得的干燥样品进一步用研钵研磨成细粉末并过200目筛，再用无水乙醇、去离子水分别洗涤3次，置于80℃恒温干燥箱中烘干至恒重7h；获得的纳米粒子进一步进行XRD表征，如图6所示，该样品具有典型的尖晶石结构，在18.4°、30.3°、35.7°、37.3°、43.4°、53.8°、57.4°、62.9°、71.5°、74.6°的衍射峰分别对应于铁酸镍的(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)、(440)、(620)、(533)晶面，与标准卡片JCPDS NO.10-0325相符合，但其不存在纳米铁酸镍典型的(331)、(531)晶面，还存在其它衍射峰，说明制得的纳米铁酸镍纯度不够高，为此选择纯度较高的实施例1制得的铁酸镍纳米粒子应用于暗发酵生物制氢。
实施例3
一种铁酸镍纳米粒子绿色合成方法，包括以下步骤：
1)取10g新鲜凤眼莲茎并先后用自来水、蒸馏水清洗干净，置于研钵中研磨成泥，加蒸馏水洗涤提取物3次，共用蒸馏水50mL，每次保留沉淀，三次合并沉淀后，进一步置于95～100℃水浴中加热提取10min，冷却至室温，抽滤并定容至50mL，得凤眼莲提取液；
2)称取乙酸镍和氯化铁溶解在100mL去离子水中，使其终浓度分别为0.15mol/L和0.30mol/L；室温下，制备的50mL凤眼莲提取液加入到上述盐溶液中，置于磁力搅拌器上连续搅拌20min；获得的混合液置于60℃水浴锅中恒温加热6h，期间每1.5h搅拌3min，至获得粘性凝胶；进一步将获得的凝胶置于100℃恒温干燥箱中干燥16h；
3)制得的干燥物转移至瓷坩埚中，再置于马弗炉中600℃煅烧6h；获得的干燥样品进一步用研钵研磨成细粉末并过200目筛，再用无水乙醇、去离子水洗涤3次，置于80℃恒温干燥箱中烘干至恒重8h；获得的纳米粒子进一步进行XRD表征，如图7所示，该样品具有典型的尖晶石结构，在18.4°、30.3°、35.7°、37.3°、43.4°、53.8°、57.4°、62.9°、71.5°、74.6°的衍射峰分别对应于铁酸镍的(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)、(440)、(620)、(533)晶面，与标准卡片JCPDS NO.10-0325相符合，但其不存在纳米铁酸镍典型的(331)、(531)晶面，还存在其它衍射峰，说明制得的纳米铁酸镍纯度不够高，为此选择纯度较高的实施例1制得的铁酸镍纳米粒子应用于暗发酵生物制氢。
实施例4
实施例1制备的铁酸镍纳米粒子的应用，用于暗发酵生物制氢。
具体应用方法为：将实施例1凤眼莲茎叶合成的铁酸镍纳米粒子添加至Klebsiella sp.发酵稻草水解液产氢的发酵培养基中，使其终浓度分别为0、10、20、30、40、50mg/L，发酵培养基的配方：稻草水解液1000mL，牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，KH2PO40.5g，MgSO4·7H2O 0.5g，糖浓度50g/L，pH8.0。采用搅拌结合超声波处理方式使纳米粒子充分分散于发酵培养基中，灭菌冷却之后，按照10％接种量接种Klebsiella sp.种子液，定期采用排氢氧化钠溶液法检测产氢量，逐日累积，换算120h内的累积产氢量，分析铁酸镍纳米粒子添加对稻草水解液发酵产氢***生物氢合成的影响，结果见图8。从图中曲线变化可看出，在10～50mg/L添加浓度范围内，菌株发酵120h的累积产氢量均高于对照处理(0mg/L)的，表明该纳米粒子有较宽的促产氢范围，体现了良好的生物相容性。其中，以添加30mg/L纳米铁酸镍的累积产氢量最高，其发酵120h的累积产氢量可达5956.3±39.8mL/L，为对照处理(0mg/L)的1.8倍，表明该处理能够显著促进Klebsiella sp.发酵稻草水解液产氢。
本实施例中的产氢细菌Klebsiella sp.种子菌制备及稻草水解液制备方法见报道于文献《金属纳米颗粒的绿色合成及其强化Klebsiella sp.发酵产氢的转录调控机制研究》(丁鹏飞,2020)。
本发明合成铁酸镍纳米粒子对Klebsiella sp.利用稻草水解液中葡萄糖和木糖的影响：
参照上述实施例4提供的方法添加铁酸镍纳米粒子至稻草水解液发酵产氢培养基并接种产氢细菌Klebsiella sp.，定期取发酵液、离心，检测上清液中的葡萄糖和木糖的浓度，分析纳米铁酸镍添加对稻草水解液中还原糖(葡萄糖和木糖)利用率的影响，结果见图9。图9结果显示，添加铁酸镍纳米粒子的所有处理均有利于产氢细菌利用稻草水解液中的还原糖，其葡萄糖和木糖利用率均较对照处理(0mg/L)的提高，尤以添加浓度为30mg/L的葡萄糖、木糖利用率最高(96.4％、96.3％)，较对照处理(0mg/L)的分别提高了8.0％、8.9％。
本发明制备的铁酸镍纳米粒子影响暗发酵产氢的对比分析：
参照实施例4提供的方法添加四氧化三铁纳米粒子(Fe3O4NP)、氧化镍纳米粒子(NiONP)、铁酸镍纳米粒子(NiFe2O4NP)至稻草水解液发酵产氢***并接种产氢细菌Klebsiella sp.，三种纳米粒子按最佳浓度(Fe3O4NP 20mg/L、NiONP20mg/L、NiFe2O4NP30mg/L)添加，以不添加纳米粒子的处理为对照处理；参照实施例2提供的方法检测氢气体积并换算累积产氢量，分析不同纳米粒子添加对稻草水解液发酵产氢的影响，结果见图10。图10结果显示，三种纳米粒子在最佳添加浓度下均能有效促进产氢细菌生物氢的合成，获得较之对照处理显著提高的累积产氢量，尤以NiFe2O4NP促产氢效果最显著，表明该纳米粒子起到了耦合Fe、Ni的促产氢效应，且其累积产氢量提高幅度(80.0％)大于单一添加Fe3O4NP的提高幅度(20.0％)与单一添加NiONP的提高幅度(46.4％)之和，可见，本发明制得的NiFe2O4NP起到了耦合Fe、Ni的促产氢效应，其效果优于单一添加Fe3O4NP或单一添加NiONP的。
实施例5
实施例1制备的铁酸镍纳米粒子的应用于阴沟肠杆菌发酵稻草水解液产氢。
按照实施例4的处理方式将实施例1凤眼莲茎叶合成的铁酸镍纳米粒子添加至阴沟肠杆菌发酵稻草水解液产氢培养基，培养基配方同实施例4，采用与实施例4一致的方法进行发酵产氢及产氢量的检测和换算。结果表明，添加10～50mg/L的铁酸镍纳米粒子均能促进阴沟肠杆菌产氢量的提高，使其发酵120h的累积产氢量均高于对照处理(0mg/L)，且在添加20mg/L纳米铁酸镍时获得的累积产氢量最高，达5057.8±110.9mL/L，较之对照处理提高45.9％。此实施例和实施例4的应用效果均说明本发明制得的铁酸镍纳米粒子对于纯培养产氢细菌具有显著的促产氢效应，体现了良好的生物相容性。
本实施例中的产氢阴沟肠杆菌为文献《分段调控pH值对阴沟肠杆菌WL1318发酵棉秆水解糖液产氢的影响》(屈晓伟等,2018)中报道的产氢菌种。

Claims (9)

1.一种铁酸镍纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)室温下，将凤眼莲提取液加入镍盐和铁盐的混合液，连续搅拌反应后，再于水浴锅中恒温加热反应，获得粘性凝胶，干燥；
2)步骤1)产物进行煅烧、研磨、洗涤、干燥，制得铁酸镍纳米粒子；
步骤1)中所述凤眼莲提取液的制备方法为：
取10g新鲜凤眼莲并先后用自来水或蒸馏水清洗干净，再置于研钵中研磨成泥，加蒸馏水洗涤提取物3次，共用蒸馏水50mL，每次保留沉淀，三次合并沉淀后，置于95～100℃水浴中加热提取10min，冷却至室温，抽滤、取上清并定容至50mL，得凤眼莲提取液；
所述铁酸镍纳米粒子为大小15～20nm的立方球状。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述镍盐和铁盐的混合液中，Ni2+和Fe3+摩尔比1∶2。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述镍盐和铁盐的混合液中，镍盐终浓度为0.15mol/L，铁盐终浓度为0.30mol/L。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述凤眼莲提取液和镍盐和铁盐的混合液的体积比为1：2。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤1)中所述水浴锅中恒温加热反应是指，在60℃水浴锅中恒温加热5～6h，期间每1.5h搅拌2～3min，至获得粘性凝胶。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤2)中所述煅烧是指：将产物转移至瓷坩埚中，再置于马弗炉中600-700℃煅烧6h。
7.一种权利要求1-6任一项所述制备方法制备的铁酸镍纳米粒子。
8.一种权利要求1-6任一项所述制备方法制备的铁酸镍纳米粒子的应用，其特征在于，用于暗发酵生物制氢。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用具体方法为：
将铁酸镍纳米粒子添加至发酵培养基中，混匀后，灭菌冷却，接种Klebsiella sp.种子液，定期采用排氢氧化钠溶液法检测产氢量。
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