石墨烯水凝胶的制备方法与流程

本发明涉及石墨烯，特别是涉及石墨烯水凝胶的制备方法。

背景技术：

自2004年二维材料石墨烯被单独剥离以后，石墨烯作为史上最薄、最强韧、电子迁移率极高的新材料，引起人们极大关注。石墨烯的每个碳原子均为sp²杂化，通过sp²杂化的碳原子相互连接而成的单分子蜂窝状片层结构，使其具有极高的比表面积，可以负载各种分子；并且每个碳原子贡献剩余一个p轨道电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予了石墨烯优异的导电性，同时石墨烯还具有优异的力学性能和热学性能，因此石墨烯在超级电容器、电池、显示器、超轻飞机材料、防弹衣、生物医药领域具有重要的潜在应用价值。

但是，二维石墨烯片层之间很强的π-π相互作用，容易促使二维石墨烯层片团聚和堆叠，造成材料性能下降。反之，将单片的二维石墨烯连接起来形成三维结构，会使石墨烯的性质更加稳定，而三维石墨烯也更有利于改性，与其他材料结合形成用途更加广泛的新型复合材料，如三维石墨烯水凝胶。一般的，水凝胶是通过单个聚合物链的物理或化学交联形成的聚合物网络，能大量吸水且在水中不溶解。水凝胶这种兼有固体和液体双重特性的性质使之在药物负载与释放、高吸水树脂、污染物吸附、传感等领域有着日益重要的应用，石墨烯水凝胶也成为近年来的研究热点(胡小红，马小涵，多亚如，张新燕，刘天宇，赵尧，蔡超杰.一种氧化石墨烯复合水凝胶药物载体[P].中国，2013：CN103272239A)。

目前，制备石墨烯的方法有：机械剥离法、气相沉积法、切割碳纳米管法和氧化还原法等，其中，氧化还原法产率较高，适合规模化生产，是目前制备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环结构以外，边缘和内部还含有丰富的大量的环氧基、羧基、羰基、羟基等含氧基团，是石墨烯结构的一种重要的先驱，本身也是一类二维石墨烯的衍生物，对其官能团进行改性也使氧化石墨烯的性质变得多样。将氧化石墨烯还原为石墨烯通常需要使用有毒的还原剂如肼，或者采用高温等苛刻的反应条件，寻求绿色、安全、高效、低能耗的制备方法成为石墨烯类新材料大规模应用的关键(张素玲，杜卓，李攻科.氧化石墨与石墨烯的制备及其在样品前处理中的应用[J].分析测试学报，2012，31(9):1178-1183)。

尽管石墨烯材料广受重视，关于石墨烯和微生物相互作用关系的研究却很少，利用微生物还原氧化石墨烯制备石墨烯以及将微生物和石墨烯制成复合材料更是鲜有报道，一些研究甚至表明特定情况下石墨烯对微生物有抑制杀灭效果(卢小菊，李少珍，孟鸳，陈顺生，杨翔宇，刘俊明.聚氨基酯-氧化石墨烯抗菌水凝胶及其制备方法[P].中国，2016：CN105348793A)。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种石墨烯水凝胶的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)制备氧化石墨烯悬浮液；

在步骤1)中，所述制备氧化石墨烯悬浮液的具体方法可为：将鳞片石墨与KMnO₄混合，再加入硫酸和磷酸的混合酸溶液，反应后在水浴锅内恒温加热，待混合液冷却至室温后，倒入含过氧化氢溶液的冰水中，当溶液由绿褐色变为金黄色后，依次用盐酸、乙醇和去离子水洗涤，直至氧化石墨烯悬浮液无法离心后用乙醚凝固，再用去离子水洗至pH为中性，超声形成氧化石墨烯悬浮液；

所述鳞片石墨可采用300目的鳞片石墨；所述鳞片石墨、KMnO₄、硫酸、磷酸、含过氧化氢溶液的冰水、乙醚的配比可为3.0g︰18.0g︰360mL︰40mL︰400mL︰200mL，其中，鳞片石墨、KMnO₄以质量计算，硫酸、磷酸、含过氧化氢溶液的冰水、乙醚以体积计算，所述硫酸可采用质量百分浓度为98％的硫酸，所述含过氧化氢溶液的冰水中，可采用3mL过氧化氢溶液，过氧化氢溶液的质量百分浓度可为30％；所述反应的温度可为35～40℃；所述在水浴锅内恒温加热的温度可为50℃，恒温加热的时间可为12h；所述依次用盐酸、乙醇和去离子水洗涤可依次用盐酸洗涤3～5次、乙醇洗涤2～3次、去离子水洗涤8～20次；所述超声的条件可为400W超声4h；所述氧化石墨烯悬浮液的分散浓度可为7～9g/L。

2)菌种的选择和预培养；

在步骤2)中，所述菌种可选自市售希瓦氏菌、市售地杆菌等中的一种，也可采用自然水体(如海水、湖水)中的混菌或污水处理厂活性污泥驯化后的菌种；所述市售希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)可购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)，保存号：1.6515；所述市售地杆菌(Geobacter sulfurreducens Caccavo et al.ATCC 51573)可购自北京中原公司；所述市售希瓦氏菌、市售地杆菌可好氧活化培养至对数期后期使用，纯菌的培养方式为普通培养基(LB、TSB等)摇床培养10～14h。

3)配制培养液；

在步骤3)中，所述培养液的配方包括碳源、氮源、无机盐、SL 10微量元素和维生素溶液；所述无机盐包括NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂·6H₂O、KH₂PO₄、NaHCO₃、NaSO₄；

所述培养液的最优配方可为(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，维生素溶液5～15mL，溶剂为去离子水；

所述碳源除CH₃COONa也可使用微生物常用的有机碳源，所述有机碳源可选自碳源糖类、挥发性有机酸、甲醇等厌氧培养常见有机碳源，所述碳源糖类可采用葡萄糖等，所述挥发性有机酸可采用丙酸或丁酸等；

所述氮源除NH₄Cl也可使用(NH₄)₂SO₄、蛋白胨等常见氮源；

所述SL 10微量元素的组成可为(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调节溶液pH为7，溶剂为去离子水；

所述维生素溶液的组成可为(mg/L)：生物素0.01～0.1，叶酸0.005～0.05，吡哆醇0.05～0.5，核黄素0.01～0.1，硫胺素0.05～0.2，维生素b12 0.5～0.2，烟酰胺0.1～1，对氨基苯甲酸0.1～1，硫辛酸0.01～0.1，泛酸0.01～0.1，溶剂为去离子水。

所述无机盐中KH₂PO₄可使用K₂HPO₄代替，NaSO₄可使用FeSO₄·7H₂O、KSO₄、FeS代替。

4)培养液除氧灭菌；

在步骤4)中，所述培养液除氧灭菌的具体方法可为：在每个125mL的血清瓶中加入80mL培养液，然后通入含质量百分比为80％的N₂和质量百分比为20％的CO₂混合气，在液面下曝气25min、加塞液面下曝气20min、加塞液面上曝气15min，使培养液脱除氧气，随后血清瓶扣上铝盖在121℃下高压蒸汽灭菌20min。

5)添加氧化石墨烯悬浮液；

在步骤5)中，所述添加氧化石墨烯悬浮液的具体方法可为：将步骤1)所得氧化石墨烯悬浮液在紫外灯照射下灭菌2h，用5mL注射器在含质量百分比为80％的N₂和质量百分比为20％的CO₂混合气管中反复抽空至少1次，排除注射器中的氧气，然后向经步骤4)处理后的血清瓶培养液中注入3～5mL氧化石墨烯分散液，混匀。

6)菌种的接种；

在步骤6)中，所述菌种的接种的具体方法可为：将注射器在超净台紫外灯下照射20min，然后将步骤2)所得菌液取出，按体积比1︰10往步骤5)所得血清瓶中注射8mL菌液，混匀。

7)石墨烯水凝胶的形成。

在步骤7)中，所述凝胶的形成的具体方法可为：步骤6)所得厌氧血清瓶放入20～40℃的培养箱中密封静置培养，培养10天后形成石墨烯水凝胶。

氧化石墨烯被还原，由棕黄色溶液变为黑色溶液，其表面发生皱褶卷曲、逐渐团聚，将菌体紧紧包裹其中，细菌将还原后的氧化石墨烯作为附着点繁殖生长，最后得到豆腐状黑色石墨烯水凝胶。本发明的工艺简单，反应条件较温和，并且省略了现有技术中常用的有毒有害的还原剂，原料易得，成本低廉，适合低成本、大规模工业化生产。不使用有毒试剂，简单易行，使活菌与氧化石墨烯的相互作用成为了可能，制备的水凝胶可以作为一种新型复合材料推向市场。本发明制备的石墨烯水凝胶，呈豆腐状黑色含水复合物，包含了微生物和被还原后的氧化石墨烯。

本发明得到的石墨烯水凝胶，包含有液体培养基、微生物、还原性氧化石墨烯，其中微生物可以是混菌如活性污泥、天然水体中的细菌，也可以是纯菌如希瓦氏菌、地杆菌等，还原性氧化石墨烯是由微生物的还原作用将氧化石墨烯部分或全部还原而成。该水凝胶保留氧化石墨烯的两亲性，能很好应用于水相中，同时通过石墨烯的包裹作用使菌体在水体中的抗负荷能力增加，是一种活菌与石墨烯的复合物。

附图说明

图1是实施例2制得水凝胶的电镜图，微生物附着在石墨烯层片上。

图2是实施例2制得水凝胶的电镜图，微生物与石墨烯形成复合物。

图3是实施例2氧化石墨烯成胶前后的XRD图，GO：反应前氧化石墨烯，Lake-rGO：经湖水微生物还原后的氧化石墨烯。

图4是实施例2氧化石墨烯成胶前后的FTIR图，GO：反应前氧化石墨烯，Lake-rGO：经湖水微生物还原后的氧化石墨烯。

具体实施方式

以下实施例将结合附图来进一步具体说明本发明。

实施例1:

一种利用希瓦氏菌制备石墨烯水凝胶的过程。包括如下步骤：

将希瓦氏菌菌种(腐败希瓦氏菌Shewanella putrefaciens，购于中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)，保存号：1.6515)在LB平板上进行活化培养后再接入LB液体培养基进行活化，进入生长对数期。

将培养液按照表1进行配制后(微量元素溶液和维生素溶液配方分别见表2和3)，调节培养液pH为7，分装至血清瓶进行曝气除氧，除氧后进行高温高压灭菌。

将300目的高纯鳞片石墨3.0g与18.0g KMnO₄混合，同时加入含360mL 98％浓硫酸和40mL磷酸的混合酸溶液，搅拌，控制反应放热为37℃，随后在50℃的水浴锅里恒温加热搅拌12h。

待混合液冷却至室温后，将混合液倒入400mL含3mL 30％过氧化氢溶液的冰水中。

溶液由绿褐色变为金黄色后，用稀盐酸洗涤3次、乙醇洗涤2次、去离子水洗涤10次，直至氧化石墨烯悬浮液无法离心后用200mL乙醚凝固，凝固后再用去离子水洗4次至pH为7，在400W超声4h形成氧化石墨烯悬浮液，分散浓度为8.38g/L。

根据制作的氧化石墨烯悬浮液浓度，加入合适体积的氧化石墨烯悬浮液进入培养基，控制氧化石墨烯在培养基的浓度为0.37g/L。按照体积比1:10将8mL希瓦氏菌菌液加入培养基中，混匀。

放入28℃培养箱中培养10天，石墨烯水凝胶成型。

表1培养基成份

表2微量元素成分

表3维生素成份

实施例2:一种利用湖水中混菌制备得到的石墨烯水凝胶。

采用实施例1的制备方法，不同之处在于接种微生物是市售地杆菌(Geobacter sulfurreducens Caccavo et al.ATCC 51573)可购自北京中原公司，在37℃培养箱中培养10天，形成石墨烯水凝胶。

凝胶的电镜图片显示微生物附着在石墨烯层片上(图1)，其表面发生皱褶卷曲、逐渐团聚，将菌体紧紧包裹其中，细菌将还原后氧化石墨烯作为附着点繁殖生长，形成石墨烯的复合物(图2)。将水凝胶经过超声破碎后，经稀盐酸、乙醇洗涤，再用去离子水洗两遍，放入-80℃冰箱冷冻后进行冷冻干燥，随后进行除去微生物的凝胶表征，通过XRD表征(图3)证明，还原后氧化石墨烯10°左右的出峰消失，通过FTIR谱图(图4)证明含氧官能团的消失，所以氧化石墨烯在形成凝胶的过程中被微生物部分还原。