一种负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶及其制备方法和应用与流程

本发明公开了一种负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶及其制备方法和应用，属于生物质基复合材料制备领域。

背景技术：

近年来，水环境污染控制是当前面临的重要环境生态问题。纳米粉体材料由于其比表面积大，吸附性能突出等优点在水处理领域应用广泛。然而，纳米颗粒小尺度特性，使其具有高团聚性与纳米毒性，影响其应用，而且也会增加产业化运行成本，如水处理吸附过程分离困难，需要额外增加过滤等操作能耗等。因此，如何实现纳米材料器件化，构建宏观尺度的组装结构，是当前纳米材料研究及应用的热点[ACS Nano,2012,6,2693-2703]。目前，文献报道的粉体材料的组装技术主要有LB技术外，场诱导技术、界面诱导技术、电纺丝技术、抽滤技术、蒸发技术等[Chemical Reviews,2012,112,4770-4799]。但这类方法不同程度上存在技术难度大、能耗高、效率低、可持续性差等缺点，难以满足大规模的组装需求。

近年来，由于微生物材料易于制备，绿色无污染，成本低，而且具有大量的功能基团，易于和活性物质反应，在纳米材料组装领域得到重视。如专利CN201410142954.6以细菌纤维素为生物模板，通过水热合成制备得到一类易分离的负载型TiO2催化剂。但此类负载作用主要基于金属氧化物等纳米粒子与菌体表面间的氢键、范德华力、静电力等弱作用力，负载力较弱，稳定性欠佳。因此为提高纳米粒子负载的机械强度和稳定性，专利CN201410158552.5提出通过N,N-二甲基甲酰胺等有机物对磁性纳米Fe3O4进行表面化学改性，再与氯乙酰化学修饰后的啤酒酵母菌表面的羟基发生N-酰化反应，得到一种新型功能化磁性生物吸附剂。专利CN 201210102856.0，专利CN 201410780391.3等为提高纳米粒子负载的稳定性，则采用海藻酸盐包埋技术，分别制备得到纳米Fe3O4/白腐菌，纳米TiO2/酵母菌(S.cerevisiae)等复合组装材料，应用于水环境污染吸附过程。但是表面化学改性及包埋技术大幅增加了复合材料制备的操作复杂度及成本，而且海藻酸盐包埋会极大地掩盖纳米粒子的活性位点，更重要的是，到目前为止，这些方法只能依托于菌体为基体模板，制备得纳米粒子负载的复合材料，其尺寸大小受限于菌体外形，难以直接得到宏观的器件化材料，降低了组装材料的吸附应用性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有方法的不足，提出一种以丝状真菌为基体，通过氧化石墨烯的交联效应，实现纳米粒子的功能化组装及器件化，制备得到一类新型成型三元复合材料及其具体的制备方法和应用。

一种负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶的制备方法，将纳米粒子与氧化石墨烯和真菌菌丝混合均匀后，过滤分离得到成型的复合材料前驱物，将所得前驱物经低温水热过程，即得负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶。

所述丝状真菌包括棘孢曲霉、黑曲霉、黄曲霉、根曲霉、青霉中的一种或几种，所述的制备方法中真菌培养洗净后用戊二醛固定得到菌丝储备液。所述的菌丝储备液的浓度为5g/L-15g/L。所述的氧化石墨烯的浓度为5g/L-20g/L。所述的丝状真菌菌丝储备液与氧化石墨烯的溶液体积比为1：0.5～2。

所述的纳米粒子为高分子聚合物，金属氧化物纳米材料中的一种或几种，包括聚苯胺纳米粒子，聚间苯二胺纳米粒子，纳米氧化铁中的一种或几种。

纳米粒子与氧化石墨烯和真菌菌丝的混合体系中，纳米粒子的浓度为0.1g-10g/L。

所述的低温水热法合成的温度为75℃-150℃；时间为1h-3h。

一种负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶，是由上述的方法制备而成的。所述的负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶用于吸附水环境中污染物。

本发明负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶是以含土豆的培养基为真菌生长的营养物质，接种后恒温培养，洗净后用戊二醛固定得到菌丝；用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯；将制备好的纳米粒子与氧化石墨烯和菌丝混合均匀后，过滤分离得到成型的复合材料前驱物，将所提的前驱物经低温水热法合成即得。所述的混合均匀的方法为常温下磁力搅拌，转速为200rpm-1500rpm，搅拌时间为10min-2h。在过滤分离过程中通过定型容器控制外形，可得到不同形状的复合水凝胶材料，如膜、柱状体等，以适应不同需求。

氧化石墨烯是一类性能优异的新型碳材料，表面含有大量的羧基、羟基等亲水性酸性含氧官能团(质子酸)，使碳层带负电荷，从而使具有质子碱性的化合物易于进入石墨烯分子层，可为含氮聚合物和无机纳米材料稳定负载提供有利条件。此外探索研究表明，氧化石墨烯与丝状菌体在水热条件下存在显著的氧化还原作用，可直接得到宏观的成型水凝胶材料，为纳米粒子组装器件化奠定了扎实基础。因此通过引入氧化石墨烯可为纳米粒子稳定功能化组装及器件化提供了新的途径。

本发明的有益效果：

(1)本发明所提出的负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶是以生物菌丝基体为骨架结构，通过引入石墨烯层的高反应活性，实现与纳米粒子及菌体表面基团的相互高效交联，解决了长期以来纳米粒子负载稳定性不强的技术难题，而且避免了复杂的表面化学改性及海藻酸盐等包埋过程，提高了组装材料应用潜力。

(2)本发明所提出的负载纳米粒子的石墨烯/菌丝水凝胶的制备方法简便易行，采用真菌菌丝体为骨架，原料来源广泛，不需要添加任何化学助剂，无副产物排放，避免了二次污染和降低了生产成本，有利于大规模产业化实施。

(3)本发明所得到的新型三元复合水凝胶材料，外形、尺寸大小可控。且以真菌菌丝基体作为骨架结构，具有很高的横纵比，在提高机械性能的同时，保证高柔韧性；而且可以实现系列纳米粒子的高稳定性负载，可赋予组装材料的功能选择性，适用于不同领域的功能化应用。

(4)本发明所得到的新型三元复合水凝胶材料具有优异的水体污染物吸附性能，其中十次循环吸附的对染料的去除率平均可达到96％以上。

本发明涉及的菌株Aspergillus sp.F-1

保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心

地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号

保藏日期：2012.3.7

保藏编号：CGMCC No.5858

分类命名：曲霉Aspergillus sp.

本发明涉及的菌株Penicillium Chrysogenum F1

保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心

地址：北京市朝阳区北辰西路1号院3号

保藏日期：2011.12.15

保藏编号：CGMCC No.5599

分类命名：Penicillium Chrysogenum

附图说明

图1是本发明制备的样品照片；由图可知，所得的负载聚间苯二胺纳米粒子的氧化石墨烯/菌丝水凝胶有良好的机械稳定性，并且具有柔韧性；图1(a)为聚间苯二胺纳米粒子固定在氧化石墨烯/菌丝Aspergillus sp.F-1(CGMCC No.5858)；图1(b)为纳米氧化铁固定在氧化石墨烯/菌丝Penicillium Chrysogenum F1(CGMCC No.5599)。

图2是本发明制备出的三元复合水凝胶材料的扫描电镜图；图2(a)和图2(b)为聚间苯二胺纳米粒子固定在氧化石墨烯/菌丝；图2(c)和图2(d)为纳米氧化铁固定在氧化石墨烯/菌丝；由图可知，纳米粒子固定在氧化石墨烯的片状结构上，菌丝作为支撑物提高了机械性能，氧化石墨烯和菌丝组成大孔的材料，有利于传质。

图3是本发明制备的三元复合水凝胶材料的十次循环吸附图。由图可知，所合成的水凝胶材料具有优异的染料循环吸附性能，十次循环吸附的对染料的去除率平均可达到96％以上。

图4是本发明所得三元复合水凝胶材料在不同pH溶液中的稳定性实验图。

具体实施方式

以下实施例分别以两种不同属的丝状真菌进行试验，分别为Aspergillus sp.F-1(CGMCC No.5858)、Penicillium Chrysogenum F1(CGMCC No.5599)，结合实施例对本发明进一步说明，而不会限制本发明。

实施例1

菌丝体和氧化石墨烯的制备。

菌丝体制备：称量200g土豆切碎用去离子水煮沸30分钟，纱布过滤后加入硫酸镁MgSO4·7H2O 0.5g，磷酸二氢钾1g，葡萄糖20g，再用去离子水定容到1L，分装后在115℃高压灭菌锅中灭菌20分钟。收取平板上培养好的Aspergillus sp.F-1(CGMCC No.5858)真菌孢子，接种到灭菌的培养基中，每100ml培养基接种10⁶-10⁷个孢子，孢子数通过平板读数法计算。接种后置于转速150转/分钟30℃的摇床培养3天，得所要的菌丝体。洗净后用磁力搅拌器搅拌12小时搅散后用2.5％的戊二醛固定，即得菌丝储备液。

氧化石墨烯制备：取5g石墨粉于1L圆底烧瓶中，加入125mL浓硫酸后冰水浴搅拌，缓慢加入30g高锰酸钾，冰水浴搅拌2小时，恒温35℃剧烈搅拌30分钟；冰水浴中逐渐加入400ml离子水；再逐渐加入100ml 30％H2O2，抽滤后用去离子水洗涤，反复几次后渗析7天即得氧化石墨烯。

实施例2

将聚苯胺纳米粒子负载于基体上。移取实施例1中的20g/L的氧化石墨烯取10mL，加入0.1g聚苯胺纳米粒子，超声均匀后加入10mL 10g/L菌丝，搅拌一个小时后放入直径为10cm的G2砂芯漏斗中，过滤分离得到成型的复合材料前驱物，将所得前驱物置于水热反应器中，130℃下反应2小时。取出后即得聚苯胺纳米粒子负载于氧化石墨烯/菌丝的复合水凝胶。

实施例3

将聚间苯二胺纳米粒子负载于基体上。移取实施例1中的20g/L的氧化石墨烯取10mL，加入0.1g聚间苯二胺纳米粒子，超声均匀后加入10mL 10g/L菌丝，搅拌一个小时后放入直径为10cm的G2砂芯漏斗中，过滤分离得到成型的复合材料前驱物，将所得前驱物置于水热反应器中，130℃下反应2小时。取出后即得聚间苯二胺纳米粒子负载于氧化石墨烯/菌丝的复合水凝胶膜，如图1a所示。

实施例4

本实施例采用Penicillium Chrysogenum F1(CGMCC No.5599)进行拓展展示。菌种的准备、组装培养基及菌丝储备液的准备与实施例1的方法一致。将氧化铁纳米粒子负载于基体上。移取实施例1中的20g/L的氧化石墨烯取10mL，加入0.1g氧化铁纳米粒子，超声均匀后加入10mL 10g/L菌丝，搅拌一个小时后放入直径为10cm的G2砂芯漏斗中，过滤分离得到成型的复合材料前驱物，将所得前驱物置于水热反应器中，130℃下反应2小时。取出后即得氧化铁纳米粒子负载于氧化石墨烯/菌丝的复合材料，所得产物形貌如图1b所示。

本发明选取的丝状真菌不仅仅限于实施例中Aspergillus sp.F-1(CGMCC No.5858)、Penicillium Chrysogenum F1(CGMCC No.5599)，还包括其他常见的棘孢曲霉、黑曲霉、黄曲霉、根曲霉、青霉等丝状真菌，只要满足细胞外都长有菌丝的丝状真菌，都可用于本发明材料的组装制备，效果相当。

实施例5

采用连续动态柱吸附实验考察染料吸附性能。移取实施例3制备得到的负载聚间苯二胺纳米粒子的氧化石墨烯/菌丝复合水凝胶膜，直径为2.5cm，厚度为0.28cm的圆形薄膜，放于柱吸附装置中，以流量调为0.2mL/min，使15mL橙黄G溶液(pH＝2，初始浓度为15mg/L)逐步连续通过水凝胶膜，处理完毕后测定染料去除率，同时用0.1M的氢氧化钠碱液再生。保持操作条件相同，将再生后的水凝胶膜循环吸附橙黄G，十次循环吸附的对染料的去除率平均可达到96％以上。

实施例6

移取实施例3制备得到的负载聚间苯二胺纳米粒子的氧化石墨烯/菌丝复合材料分别浸没在不同pH的溶液中24小时，观察溶液变化。如图4所示，三元成型体在不同pH溶液并无明显的溶解现象，滤液色泽没有变化，表明浸泡后的成型体仍然结构稳定。因此，本发明制备的复合材料具有广谱的适用性能。

同时，将聚间苯二胺纳米粒子与菌丝直接复合，难以形成宏观的水凝胶材料，而且其溶液明显呈黑色，表明其负载稳定性较差。