本发明涉及一种二氧化钛纳米管基复合材料的方法，具体为一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法。
技术背景
硫化银纳米颗粒是一种窄能带半导体，具有较高的光学性能、催化性能以及化学稳定性，广泛应用于光电池、离子导体、红外检测器和催化降解污染物等领域。但由于硫化银纳米颗粒具有较大的比表面能而易团聚，一般是将硫化银纳米颗粒负载于一定的载体上提高其分散性和稳定性。一维二氧化钛纳米管(tio2nanotubes，简称tnts)具有较大的比表面积能提供更多的活性位点，且一维纳米管有利于电子的转移以提高催化效率。但是目前在合成硫化银负载二氧化钛基复合材料的方法有电化学法、热分解法、连续离子沉积法等方法，大多都会使用有毒有害的化学试剂以及需要一定的特殊条件(如高温高压)，不仅会对环境造成二次污染，而且条件苛刻、加工成本高，能源利用率低。
生物法合成纳米材料是利用生物活性分子在细胞内或细胞外自组装形成纳米材料的技术。较传统物理、化学等方法，生物法具有清洁、无毒、环境友好，反应条件温和可控，不需要额外添加还原剂，效率高等优点。
奥奈达希瓦氏菌菌株(shewanellaoneidensismr-1，简称s.oneidensismr-1)是一种模式金属还原菌，在厌氧条件下，它能够利用多种金属化合物和硫化物等作为电子受体进行呼吸代谢。之所以其具有超强的电子传递和还原能力，是因为s.oneidensismr-1能够将细胞质内或细胞内膜产生的电子通过定位细胞内膜、细胞膜周质和细胞外膜上的c-血红色素蛋白或还原酶所组成的具有多样性的电子传递系统，最终传递到存在于细胞外环境中的电子受体。其电子受体包括有机物、金属氧化物以及硫化物等20多种不同的电子受体，因此在环境生物修复和生物降解方面具有广阔的应用前景。
所以，需要建立一种基于利用取自环境中的微生物制备银负载二氧化钛纳米管基复合材料的制备方法，实现ag2s/tnts纳米复合材料制备的经济有效、低碳环保的目标。
技术实现要素：
本发明的目的在于：提供一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法，避免了化学试剂的添加，而且不消耗任何能源，实现经济有效且低碳环保的目标。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法，包括如下步骤：
s1、配制lb培养基：称取一定量的胰蛋白胨、酵母粉、nacl，加入去离子水中，混匀，分装密封，高温高压灭菌冷却后保存，备用；
s2、配制厌氧培养基：称取一定量的n-(2-羟乙基)哌嗪-n'-2-乙烷磺酸、乳酸钠、氯化钠、硫酸铵、七水合硫酸镁、微量元素储备液、超纯水，混匀，并用naoh溶液调节ph至7.0，定容并分装于血清瓶中，充氮气5min以排尽瓶内溶解氧，用丁基橡胶塞密封，加盖，高温高压灭菌后保存备用；
s3、mr-1菌种的接种和培养：先将s.oniedensismr-1菌株接种到lb培养基中培养，将培养后的菌液5000-7000rpm条件下离心2-8min，弃去上清液，并用灭菌后的厌氧培养基将底部的菌体重悬，备用；
s4、合成二氧化钛纳米管(tnts)：取一定量的二氧化钛粉末加入到naoh溶液中，磁力搅拌至均匀，经回流后，用蒸馏水稀释后抽滤，然后分散到稀盐酸溶液中搅拌过夜，再用超纯水洗涤至中性，恒温烘干处理后，将固体煅烧后自然冷却至室温，用玛瑙研钵成粉末，备用；
s5、母液的配制：将表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶解于厌氧培养基中，配制成0.5-2wt％的十二氨基苯磺酸钠溶液，向溶液中加入一定量的tnts、和过量的聚乙烯吡咯烷酮，搅拌至均匀得到混合液a，然后加入一定量的硝酸银和五水合硫代硫酸钠，溶解后先超声5-15min后磁力搅拌2-4h得到混合液b；
s6、二氧化钛纳米管基复合材料的制备：将混合液b用无菌注射器注入到装有厌氧培养基的血清瓶中，并注入一定量的mr-1菌液，然后将含mr-1菌液的血清瓶进行摇床培养40-60h，再将反应后的体系初步离心去除溶液中的菌体，然后分别用超纯水和无水乙醇清洗数次，并再次离心获得反应产物，最后将反应产物干燥可得到硫化银纳米颗粒负载二氧化钛(ag2s/tnts)纳米管基复合材料。
优选地，所述s2步骤中，微量元素储备液配制方法为：取1.0-2.0g次氮基三乙酸，用超纯水定容至500ml，再用氢氧化钾溶液调节ph值至6.5，然后加入硫酸镁2.0-3.0g、二水氯化钙0.5-1.5g、氯化钠0.5-1.5g、硫酸锰0.3-0.7g、七水硫酸锌0.01-0.03g、七水硫酸亚铁0.05-0.15g、七水硫酸钴0.01-0.03g、六水氯化镍0.01-0.04g、十二水和硫酸铝钾0.01-0.03g、五水硫酸铜0.005-0.015g、硼酸0.005-0.015g、二水钼酸钠0.005-0.015g、五水亚硒酸钠0.1-0.5mg，搅拌溶解后用超纯水定容至1000ml，放置在4℃冰箱中保存。
优选地，所述s1步骤中，配制的各原料的量分别为胰蛋白胨8-12g/l、酵母粉3-7g/l、nacl8-12g/l；所述s2步骤中，以最后定容1l为标准，配制的各原料用量分别为：n-(2-羟乙基)哌嗪-n'-2-乙烷磺酸4.5-5.0g、乳酸钠2.0-2.5g、氯化钠0.4-0.5g、硫酸铵0.2-0.3g、七水合硫酸镁0.01-0.04g、微量元素储备液2-7ml；所述调节ph用的naoh溶液的浓度为0.05-0.2mol/l。
优选地，所述s1步骤中，配制的各原料量分别为胰蛋白胨10g/l、酵母粉5g/l、nacl10g/l。
优选地，所述s2步骤中，以最后定容1l为标准，配制的各原料用量分别为：n-(2-羟乙基)哌嗪-n'-2-乙烷磺酸4.766g、乳酸钠2.242g、氯化钠0.46g、硫酸铵0.255g、七水合硫酸镁0.024g、微量元素储备液5ml；所述调节ph用的naoh溶液浓度为0.1mol/l。
优选地，所述s2步骤的微量元素储备液配制过程中，加入的各原料的量分别为：次氮基三乙酸1.5g、硫酸镁3.0g、二水氯化钙1.0g、氯化钠1.0g、硫酸锰0.5g、七水硫酸锌0.18g、七水硫酸亚铁0.1g、七水硫酸钴0.18g、六水氯化镍0.025g、十二水和硫酸铝钾0.02g、五水硫酸铜0.01g、硼酸0.01g、二水钼酸钠0.01g、五水亚硒酸钠0.3mg。
优选地，所述s5步骤母液的配制过程中，加入的各原料的量分别为：厌氧培养基25ml、tnts400-600mg、聚乙烯吡咯烷酮超过300mg、硝酸银90-120mg、五水合硫代硫酸钠140-170mg。
优选地，所述s4步骤中，二氧化钛纳米管(tnts)合成方法具体为：取二氧化钛粉末1-3g加入到50-200ml、7-12mol/l的naoh溶液中，磁力搅拌至均匀，在110-135℃条件下回流36-60h后，回流产物用蒸馏水稀释后抽滤，然后分散到0.05-0.2mol/l的稀hcl溶液中搅拌过夜，再用超纯水洗涤至中性，恒温烘干处理后，将固体在400-550℃条件下煅烧40-80min后自然冷却至室温，用玛瑙研钵成粉末，备用。
优选地，所述二氧化钛粉末规格为p25，其纯度大于99％。
优选地，所述s6步骤中，硫化银纳米颗粒负载二氧化钛纳米管基复合材料的制备过程，具体为：将混合液b用无菌注射器注入到装有厌氧培养基的血清瓶中，然后向上述血清瓶中注入一定量的s.oniedensismr-1菌液，使菌体在反应体系中的浓度为5×106-8×106cfu·ml-1，然后将上述血清瓶在26-35℃、120-180rpm的摇床中培养40-60h，将反应后的体系先在4200-5800rpm条件下离心15-25min去除溶液中的菌体，然后分别用超纯水和无水乙醇清洗数次，并于8000-12000rpm下离心15-30min以获得反应产物，最后将反应产物在50-70℃下干燥8-15h，可得到硫化银纳米颗粒负载二氧化钛(ag2s/tnts)纳米管基复合材料。
本发明的有益效果在于：
本发明一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法，采用取自环境中的微生物s.oneidensismr-1作为生物还原剂，避免了化学试剂的添加，而且不消耗任何能源，s.oneidensismr-1作为还原剂和模板剂在tnts管壁上原位合成ag2snps从而一步形成ag2s/tnts纳米复合材料，该法不仅经济有效且低碳环保。同时，本方法中ag2snps均匀的分布在tnts的外管壁上，用于催化还原环境难降解具有生物毒性的有机污染物对硝基苯酚(4-np)，结果显示复合材料的催化效率远高于单一材料，在50min内催化效率高达98.3％。
附图说明
图1：本发明制备的ag2s/tnts与tnts的xrd图；
图2：本发明制备的ag2s/tnts与tnts的tem图；
图3：本发明制备的ag2snps的tem图和粒径分布直方图；
图4：本发明制备的ag2s/tnts的hetem图；
图5：本发明制备的ag2s/tnts的edx图；
图6：前驱体中不同的ag/ti摩尔比合成ag2s/tnts纳米复合材料催化降解4-np的降解曲线图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法，包括如下步骤：
s1、配制lb培养基：以胰蛋白胨10g/l、酵母粉5g/l、nacl10g/l为标准，称取一定量的胰蛋白胨、酵母粉、nacl，加入去离子水中，混匀，分装密封，高温高压灭菌冷却后保存，备用。
s2、配制厌氧培养基：称取n-(2-羟乙基)哌嗪-n'-2-乙烷磺酸4.766g、乳酸钠2.242g、氯化钠0.46g、硫酸铵0.255g、七水合硫酸镁0.024g、微量元素储备液5ml、超纯水950ml，混匀，并用0.1mol/l的naoh溶液调节ph至7.0，定容1l并分装于血清瓶中，充氮气5min以排尽瓶内溶解氧，用丁基橡胶塞密封，加盖，高温高压灭菌后保存备用；
其中，微量元素储备液配制方法为：取1.5g次氮基三乙酸，用超纯水定容至500ml，再用氢氧化钾溶液调节ph值至6.5，然后加入硫酸镁3.0g、二水氯化钙1.0g、氯化钠1.0g、硫酸锰0.5g、七水硫酸锌0.18g、七水硫酸亚铁0.1g、七水硫酸钴0.18g、六水氯化镍0.025g、十二水和硫酸铝钾0.02g、五水硫酸铜0.01g、硼酸0.01g、二水钼酸钠0.01g、五水亚硒酸钠0.3mg，搅拌溶解后用超纯水定容至1000ml，放置在4℃冰箱中保存。
s3、mr-1菌种的接种和培养：先将s.oniedensismr-1菌株接种到lb培养基中培养，将培养后的菌液6000rpm条件下离心5min，弃去上清液，并用灭菌后的厌氧培养基将底部的菌体重悬，备用。
s4、合成二氧化钛纳米管(tnts)：取二氧化钛粉末(规格为p25，其纯度大于99％)2g加入到100ml、10mol/l的naoh溶液中，磁力搅拌至均匀，在120℃条件下回流48h后，回流产物用蒸馏水稀释后抽滤，然后分散到0.1mol/l的稀hcl溶液中搅拌过夜，再用超纯水洗涤至中性，恒温烘干处理后，将固体在450℃条件下煅烧60min后自然冷却至室温，用玛瑙研钵成粉末，备用。
s5、母液的配制：将表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶解于25ml厌氧培养基中，配制成1wt％的十二氨基苯磺酸钠溶液，向溶液中加入tnts500mg、聚乙烯吡咯烷酮300mg，搅拌至均匀得到混合液a，然后加入硝酸银106mg、五水合硫代硫酸钠155mg，溶解后先超声10min后磁力搅拌3h得到混合液b。
s6、硫化银纳米颗粒负载二氧化钛纳米管基复合材料的制备：将混合液b用无菌注射器注入到装有厌氧培养基的血清瓶中，然后向上述血清瓶中注入一定量的s.oniedensismr-1菌液，使菌体在反应体系中的浓度为6.5×106cfu·ml-1，然后将上述血清瓶在30℃、150rpm的摇床中培养48h，将反应后的体系先在5000rpm条件下离心20min去除溶液中的菌体，弃去上层液体，分别向其中加入适量的超纯水和无水乙醇，震荡摇匀后于10000rpm下离心20min反复洗涤数次以获得反应产物，最后将反应产物在60℃下干燥12h，可得到硫化银纳米颗粒负载二氧化钛(ag2s/tnts)纳米管基复合材料。
实施例2：
一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的制备方法，其步骤与实施例1相同，不同的在于：
在s1步骤中，配制的各原料的量分别为胰蛋白胨8g/l、酵母粉7g/l、nacl8g/l。
在s2步骤中，以最后定容1l为标准，配制的各原料用量分别为：n-(2-羟乙基)哌嗪-n'-2-乙烷磺酸4.5g、乳酸钠2.5g、氯化钠0.4g、硫酸铵0.3g、七水合硫酸镁0.04g、微量元素储备液2ml、超纯水950ml；其中调节ph用的naoh溶液的浓度为0.05mol/l；在微量元素储备液配制时，加入的各原料用量分别为：次氮基三乙酸1.0g、硫酸镁2.0g、二水氯化钙0.5g、氯化钠1.5g、硫酸锰0.3g、七水硫酸锌0.01g、七水硫酸亚铁0.15g、七水硫酸钴0.03g、六水氯化镍0.01g、十二水和硫酸铝钾0.03g、五水硫酸铜0.005g、硼酸0.005g、二水钼酸钠0.015g、五水亚硒酸钠0.1mg。
在s3步骤中，在菌液的离心时，采取5000rpm条件下离心8min。
在s4步骤中，取二氧化钛粉末1g加入到200ml、7mol/l的naoh溶液中，135℃条件下回流36h，分散到0.2mol/l的稀hcl溶液中搅拌过夜，在550℃条件下煅烧40min。
在s5步骤中，将表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶解于25ml厌氧培养基中，配制成0.5wt％的十二氨基苯磺酸钠溶液，向溶液中加入tnts400mg、聚乙烯吡咯烷酮350mg，搅拌至均匀得到混合液a，然后加入硝酸银120mg、五水合硫代硫酸钠170mg，溶解后先超声5min后磁力搅拌4h得到混合液b。
在s6步骤中，向上述血清瓶中注入mr-1菌液，使菌体在反应体系中的浓度为5×106cfu·ml-1，在26℃、180rpm的摇床中培养60h，在4200rpm条件下离心25min去除溶液中的菌体，在12000rpm下离心15min以获得反应产物，最后将反应产物在50℃下干燥15h，可得到硫化银纳米颗粒负载二氧化钛(ag2s/tnts)纳米管基复合材料。
实施例3：
一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法，其步骤与实施例1相同，不同的在于：
在s1步骤中，配制的各原料的量分别为胰蛋白胨12g/l、酵母粉3g/l、nacl12g/l。
在s2步骤中，以最后定容1l为标准，配制的各原料用量分别为：n-(2-羟乙基)哌嗪-n'-2-乙烷磺酸5.0g、乳酸钠2.0g、氯化钠0.5g、硫酸铵0.2g、七水合硫酸镁0.01g、微量元素储备液7ml、超纯水950ml；其中调节ph用的naoh溶液的浓度为0.2mol/l；在微量元素储备液配制时，加入的各原料用量分别为：次氮基三乙酸2.0g、硫酸镁3.0g、二水氯化钙1.5g、氯化钠0.5g、硫酸锰0.7g、七水硫酸锌0.03g、七水硫酸亚铁0.05g、七水硫酸钴0.01g、六水氯化镍0.04g、十二水和硫酸铝钾0.01g、五水硫酸铜0.015g、硼酸0.015g、二水钼酸钠0.005g、五水亚硒酸钠0.5mg。
在s3步骤中，在菌液的离心时，采取7000rpm条件下离心2min。
在s4步骤中，取二氧化钛粉末3g加入到50ml、12mol/l的naoh溶液中，110℃条件下回流60h，分散到0.05mol/l的稀hcl溶液中搅拌过夜，在400℃条件下煅烧80min。
在s5步骤中，将表面活性剂十二烷基苯磺酸钠溶解于25ml厌氧培养基中，配制成2wt％的十二氨基苯磺酸钠溶液，向溶液中加入tnts600mg、聚乙烯吡咯烷酮400mg，搅拌至均匀得到混合液a，然后加入硝酸银90mg、五水合硫代硫酸钠140mg，溶解后先超声15min后磁力搅拌2h得到混合液b。
在s6步骤中，向上述血清瓶中注入mr-1菌液，使菌体在反应体系中的浓度为8×106cfu·ml-1，在35℃、120rpm的摇床中培养40h，在5800rpm条件下离心15min去除溶液中的菌体，在8000rpm下离心30min以获得反应产物，最后将反应产物在70℃下干燥8h，可得到硫化银纳米颗粒负载二氧化钛(ag2s/tnts)纳米管基复合材料。
结合图1-6，对本发明的生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法进行说明。
如图1所示为本发明制备的ag2s/tnts与tnts的xrd图。由图1可知，在2θ＝25.2°，37.8°，48.0°，53.8°，55.0°，62.6°，75.0°处的衍射峰分别对应于锐钛矿相tio2的(101)，(004)，(200)，(105)，(211)，(204)，(215)晶面(pdf#21-1272)，且无其他杂质峰，说明tnts纯度较高；在ag2s/tnts复合材料的xrd图谱中并没有明显出现ag2s的衍射峰，这可能是硫化银的颗粒较小(＜8nm)而没有引发xrd的信号，但是仔细观察我们可以注意到，复合后的峰在37.8°附近较tio2略有增高，这对应于ag2s的(-103)晶面，这主要是与tio2(004)晶面重叠所造成的。
如图2所示为本发明制备的ag2s/tnts与tnts的透射电镜(tem)图，由图可知，可以清晰的看出tnts的管径约为10nm(图a1)；采用本发明生物法制备的ag2snps较为均匀的分散在tnts的表面,且无明显聚集现象(图a2)。阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠，把ag+先吸附在tnts表面，游离在溶液中的s2o32-离子在s.oneidensismr-1的细胞周质内逐渐被还原成s2-，然后缓缓释放出来，与附着在管壁上的ag+反应生成ag2snps。这种缓慢释放的过程对生物合成ag2snps的过程具有调控的作用。
如图3所示为本发明制备的ag2snps的tem图和粒径分布直方图。由图可知，生物法合成的ag2snps均匀分散，且粒径大小分布范围较窄(图b1)；通过对其粒径进行分析，发现粒径分布范围为3-8nm，主要在4-6nm，表明此合成方法均匀稳定且尺寸较均一。
如图4所示为本发明制备的ag2s/tnts的hetem图。由图可知，从图中可以清晰的看到二者的晶格条纹，说明复合材料具有较好的结晶性，图中标注的晶格经查阅文献分别对应于锐钛矿tnts(101)晶面(d＝0.14nm)、(024)晶面(d＝0.34nm)和ag2s(-103)晶面(d＝0.21nm)。尺寸均匀的ag2snps负载于tnts表面形成较好的异质结，良好的界面有利于电子的转移，从而促进复合材料的催化活性。
如图5所示为本发明制备的ag2s/tnts的元素分析结果(edx图)。由图可知，可以看出复合材料中有ti、o、ag、s和cu等元素，其中ti和o来自tnts，ag和s是生物法合成的ag2s纳米颗粒。cu元素的峰是放置样品的铜网所造成的，且无其他杂峰说明合成的复合材料纯度较高。
如图6所示为前驱体中不同的ag/ti摩尔比合成ag2s/tnts纳米复合材料催化降解4-np的降解曲线图。由图可知，反应条件：[4-np]＝0.12mmol/l，[nabh4]＝5mmol/l，[催化剂]＝0.4g/l。在无氧条件下进行反应，结果显示，当前驱体中ag/ti的摩尔比为1:10时，复合材料的催化效率最高，在50min内，对4-np的降解效率为98.3％。在相同的反应条件下，ag2s负载量的增加和减少都会降低复合材料对4-np的催化性能。
本发明一种生物法制备二氧化钛管基复合材料的方法，采用取自环境中的微生物s.oneidensismr-1为生物还原剂，避免了化学试剂的添加，而且不消耗任何能源，s.oneidensismr-1作为还原剂和模板剂在tnts管壁上原位合成ag2snps从而一步形成ag2s/tnts纳米复合材料，该法不仅经济有效且低碳环保。同时，本发明方法中ag2snps均匀的分布在tnts的外管壁上，用于催化还原环境难降解具有生物毒性的有机污染物对硝基苯酚(4-np)，结果显示复合材料的催化效率远高于单一材料，在50min内催化效率高达98.3％。
上述结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。