石墨烯水凝膠的製備方法與流程
2023-04-26 15:06:24
本發明涉及石墨烯，特別是涉及石墨烯水凝膠的製備方法。
背景技術：
自2004年二維材料石墨烯被單獨剝離以後，石墨烯作為史上最薄、最強韌、電子遷移率極高的新材料，引起人們極大關注。石墨烯的每個碳原子均為sp2雜化，通過sp2雜化的碳原子相互連接而成的單分子蜂窩狀片層結構，使其具有極高的比表面積，可以負載各種分子；並且每個碳原子貢獻剩餘一個p軌道電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予了石墨烯優異的導電性，同時石墨烯還具有優異的力學性能和熱學性能，因此石墨烯在超級電容器、電池、顯示器、超輕飛機材料、防彈衣、生物醫藥領域具有重要的潛在應用價值。
但是，二維石墨烯片層之間很強的π-π相互作用，容易促使二維石墨烯層片團聚和堆疊，造成材料性能下降。反之，將單片的二維石墨烯連接起來形成三維結構，會使石墨烯的性質更加穩定，而三維石墨烯也更有利於改性，與其他材料結合形成用途更加廣泛的新型複合材料，如三維石墨烯水凝膠。一般的，水凝膠是通過單個聚合物鏈的物理或化學交聯形成的聚合物網絡，能大量吸水且在水中不溶解。水凝膠這種兼有固體和液體雙重特性的性質使之在藥物負載與釋放、高吸水樹脂、汙染物吸附、傳感等領域有著日益重要的應用，石墨烯水凝膠也成為近年來的研究熱點(胡小紅，馬小涵，多亞如，張新燕，劉天宇，趙堯，蔡超傑.一種氧化石墨烯複合水凝膠藥物載體[P].中國，2013：CN103272239A)。
目前，製備石墨烯的方法有：機械剝離法、氣相沉積法、切割碳納米管法和氧化還原法等，其中，氧化還原法產率較高，適合規模化生產，是目前製備石墨烯最常用的方法。
氧化石墨烯除了含有石墨烯的碳原子苯環結構以外，邊緣和內部還含有豐富的大量的環氧基、羧基、羰基、羥基等含氧基團，是石墨烯結構的一種重要的先驅，本身也是一類二維石墨烯的衍生物，對其官能團進行改性也使氧化石墨烯的性質變得多樣。將氧化石墨烯還原為石墨烯通常需要使用有毒的還原劑如肼，或者採用高溫等苛刻的反應條件，尋求綠色、安全、高效、低能耗的製備方法成為石墨烯類新材料大規模應用的關鍵(張素玲，杜卓，李攻科.氧化石墨與石墨烯的製備及其在樣品前處理中的應用[J].分析測試學報，2012，31(9):1178-1183)。
儘管石墨烯材料廣受重視，關於石墨烯和微生物相互作用關係的研究卻很少，利用微生物還原氧化石墨烯製備石墨烯以及將微生物和石墨烯製成複合材料更是鮮有報導，一些研究甚至表明特定情況下石墨烯對微生物有抑制殺滅效果(盧小菊，李少珍，孟鴛，陳順生，楊翔宇，劉俊明.聚氨基酯-氧化石墨烯抗菌水凝膠及其製備方法[P].中國，2016：CN105348793A)。
技術實現要素：
本發明的目的在於針對現有技術存在的上述問題，提供一種石墨烯水凝膠的製備方法。
本發明包括以下步驟：
1)製備氧化石墨烯懸浮液；
在步驟1)中，所述製備氧化石墨烯懸浮液的具體方法可為：將鱗片石墨與KMnO4混合，再加入硫酸和磷酸的混合酸溶液，反應後在水浴鍋內恆溫加熱，待混合液冷卻至室溫後，倒入含過氧化氫溶液的冰水中，當溶液由綠褐色變為金黃色後，依次用鹽酸、乙醇和去離子水洗滌，直至氧化石墨烯懸浮液無法離心後用乙醚凝固，再用去離子水洗至pH為中性，超聲形成氧化石墨烯懸浮液；
所述鱗片石墨可採用300目的鱗片石墨；所述鱗片石墨、KMnO4、硫酸、磷酸、含過氧化氫溶液的冰水、乙醚的配比可為3.0g︰18.0g︰360mL︰40mL︰400mL︰200mL，其中，鱗片石墨、KMnO4以質量計算，硫酸、磷酸、含過氧化氫溶液的冰水、乙醚以體積計算，所述硫酸可採用質量百分濃度為98％的硫酸，所述含過氧化氫溶液的冰水中，可採用3mL過氧化氫溶液，過氧化氫溶液的質量百分濃度可為30％；所述反應的溫度可為35～40℃；所述在水浴鍋內恆溫加熱的溫度可為50℃，恆溫加熱的時間可為12h；所述依次用鹽酸、乙醇和去離子水洗滌可依次用鹽酸洗滌3～5次、乙醇洗滌2～3次、去離子水洗滌8～20次；所述超聲的條件可為400W超聲4h；所述氧化石墨烯懸浮液的分散濃度可為7～9g/L。
2)菌種的選擇和預培養；
在步驟2)中，所述菌種可選自市售希瓦氏菌、市售地桿菌等中的一種，也可採用自然水體(如海水、湖水)中的混菌或汙水處理廠活性汙泥馴化後的菌種；所述市售希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)可購自中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，保存號：1.6515；所述市售地桿菌(Geobacter sulfurreducens Caccavo et al.ATCC 51573)可購自北京中原公司；所述市售希瓦氏菌、市售地桿菌可好氧活化培養至對數期後期使用，純菌的培養方式為普通培養基(LB、TSB等)搖床培養10～14h。
3)配製培養液；
在步驟3)中，所述培養液的配方包括碳源、氮源、無機鹽、SL 10微量元素和維生素溶液；所述無機鹽包括NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2·6H2O、KH2PO4、NaHCO3、NaSO4；
所述培養液的最優配方可為(g/L)：NH4Cl 0.1～1，NaCl 0.5～2，KCl 0.1～1，CaCl2 0.05～0.2，MgCl2·6H2O 0.05～0.2，KH2PO4 0.1～0.5，NaHCO3 1～5，NaSO4 0.05～0.2，CH3COONa 0.5～2，SL 10微量元素0.5～2mL，維生素溶液5～15mL，溶劑為去離子水；
所述碳源除CH3COONa也可使用微生物常用的有機碳源，所述有機碳源可選自碳源糖類、揮發性有機酸、甲醇等厭氧培養常見有機碳源，所述碳源糖類可採用葡萄糖等，所述揮發性有機酸可採用丙酸或丁酸等；
所述氮源除NH4Cl也可使用(NH4)2SO4、蛋白腖等常見氮源；
所述SL 10微量元素的組成可為(g/L)：FeCl2·4H2O 0.5～2.5，CoCl2·6H2O 0.1～0.3，MnCl4·4H2O 0.05～0.2，ZnCl2 0.02～0.1，H3BO3 0.01～0.1，Na2MoO4·2H2O 0.01～0.05，NiCl6·H2O 0.01～0.05，CuCl2·2H2O 0.005～0.05，另加入25％HCl 0～20mL調節溶液pH為7，溶劑為去離子水；
所述維生素溶液的組成可為(mg/L)：生物素0.01～0.1，葉酸0.005～0.05，吡哆醇0.05～0.5，核黃素0.01～0.1，硫胺素0.05～0.2，維生素b12 0.5～0.2，煙醯胺0.1～1，對氨基苯甲酸0.1～1，硫辛酸0.01～0.1，泛酸0.01～0.1，溶劑為去離子水。
所述無機鹽中KH2PO4可使用K2HPO4代替，NaSO4可使用FeSO4·7H2O、KSO4、FeS代替。
4)培養液除氧滅菌；
在步驟4)中，所述培養液除氧滅菌的具體方法可為：在每個125mL的血清瓶中加入80mL培養液，然後通入含質量百分比為80％的N2和質量百分比為20％的CO2混合氣，在液面下曝氣25min、加塞液面下曝氣20min、加塞液面上曝氣15min，使培養液脫除氧氣，隨後血清瓶扣上鋁蓋在121℃下高壓蒸汽滅菌20min。
5)添加氧化石墨烯懸浮液；
在步驟5)中，所述添加氧化石墨烯懸浮液的具體方法可為：將步驟1)所得氧化石墨烯懸浮液在紫外燈照射下滅菌2h，用5mL注射器在含質量百分比為80％的N2和質量百分比為20％的CO2混合氣管中反覆抽空至少1次，排除注射器中的氧氣，然後向經步驟4)處理後的血清瓶培養液中注入3～5mL氧化石墨烯分散液，混勻。
6)菌種的接種；
在步驟6)中，所述菌種的接種的具體方法可為：將注射器在超淨臺紫外燈下照射20min，然後將步驟2)所得菌液取出，按體積比1︰10往步驟5)所得血清瓶中注射8mL菌液，混勻。
7)石墨烯水凝膠的形成。
在步驟7)中，所述凝膠的形成的具體方法可為：步驟6)所得厭氧血清瓶放入20～40℃的培養箱中密封靜置培養，培養10天後形成石墨烯水凝膠。
氧化石墨烯被還原，由棕黃色溶液變為黑色溶液，其表面發生皺褶捲曲、逐漸團聚，將菌體緊緊包裹其中，細菌將還原後的氧化石墨烯作為附著點繁殖生長，最後得到豆腐狀黑色石墨烯水凝膠。本發明的工藝簡單，反應條件較溫和，並且省略了現有技術中常用的有毒有害的還原劑，原料易得，成本低廉，適合低成本、大規模工業化生產。不使用有毒試劑，簡單易行，使活菌與氧化石墨烯的相互作用成為了可能，製備的水凝膠可以作為一種新型複合材料推向市場。本發明製備的石墨烯水凝膠，呈豆腐狀黑色含水複合物，包含了微生物和被還原後的氧化石墨烯。
本發明得到的石墨烯水凝膠，包含有液體培養基、微生物、還原性氧化石墨烯，其中微生物可以是混菌如活性汙泥、天然水體中的細菌，也可以是純菌如希瓦氏菌、地桿菌等，還原性氧化石墨烯是由微生物的還原作用將氧化石墨烯部分或全部還原而成。該水凝膠保留氧化石墨烯的兩親性，能很好應用於水相中，同時通過石墨烯的包裹作用使菌體在水體中的抗負荷能力增加，是一種活菌與石墨烯的複合物。
附圖說明
圖1是實施例2製得水凝膠的電鏡圖，微生物附著在石墨烯層片上。
圖2是實施例2製得水凝膠的電鏡圖，微生物與石墨烯形成複合物。
圖3是實施例2氧化石墨烯成膠前後的XRD圖，GO：反應前氧化石墨烯，Lake-rGO：經湖水微生物還原後的氧化石墨烯。
圖4是實施例2氧化石墨烯成膠前後的FTIR圖，GO：反應前氧化石墨烯，Lake-rGO：經湖水微生物還原後的氧化石墨烯。
具體實施方式
以下實施例將結合附圖來進一步具體說明本發明。
實施例1:
一種利用希瓦氏菌製備石墨烯水凝膠的過程。包括如下步驟：
將希瓦氏菌菌種(腐敗希瓦氏菌Shewanella putrefaciens，購於中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，保存號：1.6515)在LB平板上進行活化培養後再接入LB液體培養基進行活化，進入生長對數期。
將培養液按照表1進行配製後(微量元素溶液和維生素溶液配方分別見表2和3)，調節培養液pH為7，分裝至血清瓶進行曝氣除氧，除氧後進行高溫高壓滅菌。
將300目的高純鱗片石墨3.0g與18.0g KMnO4混合，同時加入含360mL 98％濃硫酸和40mL磷酸的混合酸溶液，攪拌，控制反應放熱為37℃，隨後在50℃的水浴鍋裡恆溫加熱攪拌12h。
待混合液冷卻至室溫後，將混合液倒入400mL含3mL 30％過氧化氫溶液的冰水中。
溶液由綠褐色變為金黃色後，用稀鹽酸洗滌3次、乙醇洗滌2次、去離子水洗滌10次，直至氧化石墨烯懸浮液無法離心後用200mL乙醚凝固，凝固後再用去離子水洗4次至pH為7，在400W超聲4h形成氧化石墨烯懸浮液，分散濃度為8.38g/L。
根據製作的氧化石墨烯懸浮液濃度，加入合適體積的氧化石墨烯懸浮液進入培養基，控制氧化石墨烯在培養基的濃度為0.37g/L。按照體積比1:10將8mL希瓦氏菌菌液加入培養基中，混勻。
放入28℃培養箱中培養10天，石墨烯水凝膠成型。
表1培養基成份
表2微量元素成分
表3維生素成份
實施例2:一種利用湖水中混菌製備得到的石墨烯水凝膠。
採用實施例1的製備方法，不同之處在於接種微生物是市售地桿菌(Geobacter sulfurreducens Caccavo et al.ATCC 51573)可購自北京中原公司，在37℃培養箱中培養10天，形成石墨烯水凝膠。
凝膠的電鏡圖片顯示微生物附著在石墨烯層片上(圖1)，其表面發生皺褶捲曲、逐漸團聚，將菌體緊緊包裹其中，細菌將還原後氧化石墨烯作為附著點繁殖生長，形成石墨烯的複合物(圖2)。將水凝膠經過超聲破碎後，經稀鹽酸、乙醇洗滌，再用去離子水洗兩遍，放入-80℃冰箱冷凍後進行冷凍乾燥，隨後進行除去微生物的凝膠表徵，通過XRD表徵(圖3)證明，還原後氧化石墨烯10°左右的出峰消失，通過FTIR譜圖(圖4)證明含氧官能團的消失，所以氧化石墨烯在形成凝膠的過程中被微生物部分還原。