专利名称：功能化石墨烯氧化物吸附酶诱导合成TiO<sub>2</sub>-ZnO的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用生物酶大分子在生物体外仿生矿化得到二元金属氧化物(TiO2-ZnO)的制备方法，属于生物仿生矿化技术领域和纳米材料技术领域。
背景技术：
随着社会的高速发展，日益严重的能源供需及环境污染已经成为制约社会发展的瓶颈，因此亟待需要开发新能源、发明新材料。但是传统的制备无机材料的方法又会对环境造成一定的污染，因此相较于传统的制备无机材料的方法，源于生物矿化理念的生物分子在温和条件下诱导体外合成各种无机材料为我们提供了一种绿色节能的新型合成路径。因此研究人员希望利用生物分子(如蛋白质(包括酶)，肽等)在生物体外诱导合成那些不能在自然界中矿化的但却用处广泛的金属氧化物如Ti02、Zn0等。在这些材料中，二氧化钛和氧化锌在光催化剂、光伏电池、太阳能电池以及传感器方面有潜在的应用，但是单一的材料难以满足近乎苛刻的应用要求，因此制备二氧化钛和氧化锌的复合材料成为我们研究的重要对象。利用特定的生物大分子-溶菌酶和尿素酶，在生物体外温和条件下 分别诱导钛源和锌源的前驱体水溶液发生水解和催化反应，从而在室温下得到具有一定形貌晶型结构的TiO2-ZnO 二元金属氧化物。
发明内容
本发明提出了一种首先利用生物大分子(溶菌酶，Loy)吸附在功能化石墨烯氧化物(SG - G0)上作为复合模板，其次诱导有机钛(二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛，T1-BALDH))前驱体水溶液水解生成TiO2的过程中将尿素酶包埋在其中，再次在室温下加入尿素(Urea)，使得在尿素酶(Urease)的作用下分解尿素，从而提供局部高碱性环境，将锌源(Zn(NO3)2)前驱体在尿素酶附近中矿化得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物。包括以下步骤:(I)在室温、大气压条件下，将溶剂绿(8-羟基-1,3，6-芘三磺酸三钠盐，SG)溶于水，一般浓度为0.05 5g/L ；同时将石墨烯氧化物加入水中，浓度为0.05 5g/L，然后将溶剂绿水溶液加入到石墨烯氧化物中，溶剂绿通过堆叠作用吸附在石墨烯氧化物上，磁力搅拌12h后，用去离子水离心洗涤掉残余的溶剂绿，得到功能化石墨烯氧化物(SG-G0);溶剂绿水溶液加入到石墨烯氧化物中时，一般溶剂绿和石墨烯氧化物的质量比为1:(0.I 10)。(2)将溶菌酶溶于水中，其浓度为0.1 50g/L，将步骤(I)的功能化石墨烯氧化物(SG-GO)加入水，功能化石墨烯氧化物的浓度为0.05 5g/L，将溶菌酶水溶液与功能化石墨烯氧化物水溶液混合，溶菌酶(Loy)通过静电引力作用吸附在功能化石墨烯氧化物(SG -G0)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉残余的溶菌酶，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板(GO-SG-Loy)，将溶菌酶水溶液与功能化石墨烯氧化物水溶液混合时，一般溶菌酶与功能化石墨烯氧化物的质量比为(I 10):(1-5)；
(3)将步骤(2)中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板(GO-SG-Loy)在室温下加入去离子水中，待超声均匀后，一般浓度为0.05 25g/L，将有机钛((2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛，T1-BALDH))前驱体与尿素酶的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板(GO-SG-Loy)溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉残余的有机钛(T1-BALDH)，一般有机钛((2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛，T1-BALDH))前驱体与尿素酶的混合溶液中有机钛前驱体的浓度为0.5 150g/L,尿素酶的浓度为
0.1 50g/L，复合软模板(GO-SG-Loy)与有机钛和尿素酶的质量比例一般为1: (I 50):(0.1 5)。(4)将步骤(3)中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物分散于水中，一般浓度为0.1 50g/L，逐滴加入尿素水溶液，尿素水溶液浓度为0.01 20g/L，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后，加入硝酸锌水溶液，浓度为0.01 50g/L，磁力搅拌20min后，用去离子水洗涤离心，80°C真空烘箱烘干，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物，一般尿素、硝酸锌与二氧化钛包埋尿素酶的中间产物的质量比为1: (0.1 20): (I 50)。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:⑴本发明的条件温和，为室温、大气压、水溶液、中性、无腐蚀化学添加剂。⑵步骤(I)中石墨烯氧化物与溶剂绿在水溶液中通过31-JI堆叠作用，在增加石墨烯氧化物表面的负电荷外，使得负电基团更加均一化，从而形成功能化石墨烯氧化物。⑶步骤(3)中溶菌酶在与有机钛和尿素酶混和液前驱体反应，生成二氧化钛的同时，将尿素酶包埋在二氧化钛中，从而为进行下步催化尿素，提供局域高碱性环境提供有利的条件。启发我们，可以通过包埋不同的前驱体，获得相应的二元复合物。
图1是实施例6制备的各步中间产物的zeta电位图谱见图1 ;图2是实施例6制备的步骤4.中制备的目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物的XRD粉末衍射图谱；图3是实施例6制备的步骤4.中制备的目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物的透射电镜图谱；图4是实施例6制备的步骤4.中目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物的EDS能谱图谱。
具体实施例方式实施例1
1.在温和环境下将5mL溶剂绿(8-羟基-1,3，6-芘三磺酸三钠盐，SG，0.5g/L)通过J1-Ji堆叠作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0, 0.5g/L)上,磁力搅拌12h后,用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的溶剂绿，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.将20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述温和环境下通过静电引力作用吸附在步骤
1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG- G0, 0.5g/L)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的Loy，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板。3.将步骤2.中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板在上述温和环境条件下分散在一定量的去离子水中，待超声均匀后，将一定浓度下的5mL有机钛(22g/L)前驱体与IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的有机钛，反复进行3次。4.向步骤3.中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物中逐滴加入一定浓度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后,加入一定浓度IOmL硝酸锌(0.5g/L),磁力搅拌20min后,用去离子睡洗漆离心，反复进行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，装样，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物。实施例21.在温和环境下将IOmL溶剂绿(8_羟基_1，3，6_芘三磺酸三钠盐，SG, 0.5g/L)通过J1-Ji堆叠作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力搅拌12h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的溶剂绿，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.将20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述温和环境下通过静电引力作用吸附在步骤1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的Loy，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板(GO-SG-Loy)。3.将步骤2.中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板在上述温和环境条件下分散在一定量的去离子水中，待超声均匀后，将一定浓度下的5mL有机钛(22g/L)前驱体与IOmL尿素酶(Urease，lg /L)的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的有机钛，反复进行3次。4.向步骤3.中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物中逐滴加入一定浓度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后,加入一定浓度IOmL硝酸锌(0.5g/L),磁力搅拌20min后,用去离子睡洗漆离心，反复进行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，装样，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物。实施例31.在温和环境下将20mL溶剂绿(8_羟基_1，3，6_芘三磺酸三钠盐，SG, 0.5g/L)通过J1-Ji堆叠作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力搅拌12h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的溶剂绿，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.将20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述温和环境下通过静电引力作用吸附在步骤1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的Loy，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板(GO-SG-Loy)。3.将步骤2.中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板在上述温和环境条件下分散在一定量的去离子水中，待超声均匀后，将一定浓度下的5mL有机钛(22g/L)前驱体与IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的有机钛，反复进行3次。4.向步骤3.中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物中逐滴加入一定浓度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后,加入一定浓度IOmL硝酸锌(0.5g/L),磁力搅拌20min后,用去离子睡洗漆离心，反复进行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，装样，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物。实施例41.在温和环境下将5mL溶剂绿(8-羟基-1,3，6-芘三磺酸三钠盐，SG，0.5g/L)通过J1-Ji堆叠作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0, 0.5g/L)上,磁力搅拌12h后,用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的溶剂绿，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.将20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述温和环境下通过静电引力作用吸附在步骤1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的Loy，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板(SG - GO-Loy)ο3.将步骤2.中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板在上述温和环境条件下分散在一定量的去离子水中，待超声均匀后，将一定浓度下的5mL有机钛(22g/L)前驱体与IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的有机钛，反复进行3次。4.向步骤3.中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物中逐滴加入一定浓度的20mL尿素(l g/L)，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后,加入一定浓度20mL硝酸锌(0.5g/L),磁力搅拌20min后,用去离子睡洗漆离心，反复进行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，装样，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物。实施例51.在温和环境下将IOmL溶剂绿(8_羟基_1，3，6_芘三磺酸三钠盐，SG, 0.5g/L)通过J1-Ji堆叠作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力搅拌12h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的溶剂绿，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.将20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述温和环境下通过静电引力作用吸附在步骤
1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的Loy，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板(SG - GO-Loy)ο3.将步骤2.中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板在上述温和环境条件下分散在一定量的去离子水中，待超声均匀后，将一定浓度下的5mL有机钛(22g/L)前驱体与IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的有机钛，反复进行3次。
4.向步骤3.中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物中逐滴加入一定浓度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后,加入一定浓度20mL硝酸锌(0.5g/L),磁力搅拌20min后,用去离子睡洗漆离心，反复进行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，装样，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物。实施例61.在温和环境下将20mL溶剂绿(8_羟基-1，3，6_芘三磺酸三钠盐，SG, 0.5g/L)通过J1-Ji堆叠作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力搅拌12h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的溶剂绿，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.将20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述温和环境下通过静电引力作用吸附在步骤
1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的Loy，反复进行3次，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板(SG - GO-Loy)ο3.将步骤2.中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板在上述温和环境条件下分散在一定量的去离子水中，待超声均匀后，将一定浓度下的5mL有机钛(22g/L)前驱体与IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉溶液中残余的有机钛，反复进行3次。4.向步骤3.中二·氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物中逐滴加入一定浓度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后,加入一定浓度20mL硝酸锌(0.5g/L)，磁力搅拌20min后,用去离子睡洗漆离心，反复进行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，装样，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金
属氧化物。实施例6中制备的各步中间产物的zeta电位图谱见图1 ;步骤4.中制备的目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物的XRD粉末衍射图谱见图2 ;步骤4.中制备的目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物的透射电镜图谱见图3 ;步骤4.中目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物的EDS能谱图见图4。
权利要求
1.功能化石墨烯氧化物吸附酶诱导合成TiO2-ZnO的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)在室温、大气压条件下，将溶剂绿(8-羟基-1，3，6-芘三磺酸三钠盐，SG)溶于水，同时将石墨烯氧化物加入水中，然后将溶剂绿水溶液加入到石墨烯氧化物中，溶剂绿通过π-π堆叠作用吸附在石墨烯氧化物上，磁力搅拌12h后，用去离子水离心洗涤掉残余的溶剂绿，得到功能化石墨烯氧化物(SG - G0)； (2)将溶菌酶溶于水中，将步骤(I)的功能化石墨烯氧化物(SG-GO)加入水中，将溶菌酶水溶液与功能化石墨烯氧化物水溶液混合，溶菌酶(Loy)通过静电引力作用吸附在功能化石墨烯氧化物(SG - G0)上，磁力搅拌0.5h后，用去离子水离心洗涤掉残余的溶菌酶，得到功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合软模板(GO-SG-Loy)； (3)将步骤(2)中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板(GO-SG-Loy)在室温下加入去离子水中，待超声均匀后，将有机钛((2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛，T1-BALDH))前驱体与尿素酶的混合溶液逐滴滴入到上述复合软模板(GO-SG-Loy)溶液中，在生成二氧化钛的同时将尿素酶包埋在其中，用去离子水离心洗涤掉残余的有机钛(T1-BALDH)； (4)将步骤(3)中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物分散于水中，逐滴加入尿素水溶液，使得尿素酶催化尿素水解，从而提供局域高碱性环境，搅拌IOmin后，加入硝酸锌水溶液，磁力搅拌20min后，用去离子水洗涤离心，80°C真空烘箱烘干，即可得到目标产物TiO2-ZnO 二元金属氧化物。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(I)溶剂绿溶于水，浓度为0.05 5g/L ；石墨烯氧化物加入水中，浓度为0.05 5g/L ;溶剂绿水溶液加入到石墨烯氧化物中时，溶剂绿和石墨烯氧化物的质量比为1:(0.1 10)。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(2)菌酶溶于水中，其浓度为0.1 50g/L ;步骤(I)的功能化石墨烯氧化物(SG-GO)加入水，功能化石墨烯氧化物的浓度为0.05 5g/L ;将溶菌酶水溶液与功能化石墨烯氧化物水溶液混合时，溶菌酶与功能化石墨烯氧化物的质量比为(I 10):(1-5)。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(3)将步骤(2)中的功能化石墨烯氧化物与溶菌酶的复合物模板(GO-SG-Loy)在室温下加入去离子水中，浓度为0.05 25g/L ;—般有机钛((2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛，T1-BALDH))前驱体与尿素酶的混合溶液中有机钛前驱体的浓度为0.5 150g/L，尿素酶的浓度为0.1 50g/L，复合软模板(GO-SG-Loy)与有机钛和尿素酶的质量比例为1: (I 50): (0.1 5)。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(4)中将步骤(3)中二氧化钛包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中间产物分散于水中，浓度为0.1 50g/L ;尿素水溶液浓度为0.01 20g/L ;硝酸锌水溶液浓度为0.01 50g/L。
6.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(4)中尿素、硝酸锌与二氧化钛包埋尿素酶的中间产物的质量比为I: (0.1 20): (I 50)。
全文摘要
功能化石墨烯氧化物吸附酶诱导合成TiO2-ZnO的方法，属于生物仿生矿化技术领域和纳米材料技术领域。先利用生物大分子(溶菌酶，Loy)吸附在功能化石墨烯氧化物(SG-GO)上作为复合模板，其次诱导有机钛(二(2-羟基丙酸)二氢氧化二铵合钛)前驱体水溶液水解生成TiO2的过程中将尿素酶包埋在其中，再次在室温下加入尿素(Urea)，使得在尿素酶(Urease)的作用下分解尿素，从而提供局部高碱性环境，将锌源(Zn(NO3)2)前驱体在尿素酶附近中矿化得到目标产物TiO2-ZnO二元金属氧化物。将尿素酶包埋在二氧化钛中，从而为进行下步催化尿素，提供局域高碱性环境提供有利的条件。
文档编号C12P3/00GK103194491SQ20131009613
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者郝波, 王啸波, 陈戈 申请人:北京工业大学