一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结及其制备方法与应用

本发明属于医用生物材料技术领域，具体涉及一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结复合材料及其制备方法与应用，所述氯氧化铋/石墨烯二维异质结复合材料在氙灯照射下具有光催化抗菌效果。

背景技术：

细菌感染已成为全世界人类健康的主要威胁。传统的基于抗生素的药物疗法导致细菌产生多重耐药性，这是公共卫生领域的重大挑战。随着纳米技术的飞速发展，光催化抗菌疗法被认为是一种有前景的抗菌策略，其具有低能耗、无创性和广谱抗菌的优点。虽然已有研究报道了多种具有光催化抗菌性能的半导体材料，但对于实现快速光催化抗菌的方面还比较缺乏。

氯氧化铋是一种光催化抗菌材料，得益于二维结构和内置电场，氯氧化铋拥有极大比表面积和有益于光生电荷快速分离的传输路径。由于固有的宽带隙，氯氧化铋的有效吸收仅限于短波长范围的光，难以实现快速光催化抗菌。研究人员发现以石墨烯为首的二维碳材料能显著改善氯氧化铋的催化性能，但现有技术获得氯氧化铋复合光催化剂仍然存在材料复合界面不可控导致光催化性能在很大范围内波动，发挥不出氯氧化铋作为二维光催化材料应有的强大性能。

技术实现要素：

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结的制备方法。

本发明提出了稳定构建氯氧化铋/石墨烯二维异质结的方法，通过模板剂引导氯氧化铋在石墨烯二维表面原位结晶，形成紧密接触的二维异质结，实现了比氯氧化铋/石墨烯普通异质结更优异的光催化抗菌性能。

本发明采用水热法，利用甘露醇和聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，在二维石墨烯表面原位形成氯氧化铋，制得的复合材料具有二维-二维接触的异质结结构。本发明合成的氯氧化铋/石墨烯二维异质结对属于革兰氏阳性菌的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有很强抗菌效果，在氙灯照射下，能杀死绝大部分细菌。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结。

本发明的再一目的在于提供上述一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮加入去离子水中，混合均匀得到石墨烯悬浮液；

(2)将甘露醇和五水硝酸铋溶于去离子水中得到五水硝酸铋溶液，将石墨烯悬浮液加入到五水硝酸铋溶液中，混合均匀后，再加入氯化钠，然后水热反应，结束反应，洗涤，干燥，得到氯氧化铋/石墨烯二维异质结。

优选的，步骤(1)所述石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1:0.5～3。所述石墨烯为苏州碳丰科技有限公司提供的物理法少层石墨烯或等同品质的石墨烯；所述聚乙烯吡咯烷酮的k值为28～32。

优选的，步骤(1)所述石墨烯在去离子水中浓度为0.5～1mg/ml。

优选的，步骤(1)所述混合均匀指：将石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮加入去离子水中，在常温(25～40℃)下以300w的功率超声分散15～30min，然后继续搅拌10～30min。

优选的，步骤(2)所述甘露醇和五水硝酸铋的质量比为18.00～26.00：18.00～26.00。

优选的，步骤(2)所述五水硝酸铋溶液中，甘露醇的浓度为18.00～26.00mg/ml，五水硝酸铋的浓度为18.00～26.00mg/ml。所述甘露醇和五水硝酸铋加入去离子水中并于150～300rpm下搅拌5～10min使混合均匀。

优选的，步骤(2)所述五水硝酸铋和石墨烯的质量比为28～227:1。

优选的，步骤(2)所述五水硝酸铋溶液和石墨烯悬浮液的体积比为7：5～55：5。

优选的，步骤(2)所述石墨烯悬浮液加入到五水硝酸铋溶液中，在150～300rpm下搅拌5～10min，加入氯化钠后在150～300rpm下继续搅拌5～10min。

优选的，步骤(2)所述氯化钠以氯化钠水溶液的形式加入，其中氯化钠水溶液与石墨烯五水硝酸铋混合溶液的体积比为1：5～8，氯化钠水溶液的浓度为30～300mg/ml。

优选的，步骤(2)所述水热反应的保温温度为140～180℃，反应时间为2～6h。

优选的，步骤(2)所述洗涤指用无水乙醇和去离子水离心各离心洗涤产物3～5次，离心力为5000～10000g，离心时间为5～15min/次；所述干燥的温度为30～80℃，时间6～24h。

上述方法制得的一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结。

上述一种光催化抗菌氯氧化铋/石墨烯二维异质结在光催化抗菌领域中的应用。

本发明采用氯氧化铋与石墨烯构建二维异质结可增强氯氧化铋的光催化抗菌性能，利用甘露醇和聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，聚乙烯吡咯烷酮和石墨烯可显著提升氯氧化铋的光催化性能，提高活性氧产量，使得对革兰氏阳性菌和阴性菌具有更强大的杀伤力。本发明采用一步水热法，在石墨烯表面原位生成氯氧化铋构成二维异质结，合成原料绿色无毒，方便经济，容易制备，对细菌杀伤力强，弥补了现有光催化材料抗菌速度慢的缺陷和不足。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明在石墨烯表面吸附聚乙烯吡咯烷酮，不仅改善了氯氧化铋/石墨烯二维异质结在水溶液中的分散性，并能在水热反应中与bi³⁺配位，从而降低bi³⁺在溶液中的浓度，使得bi³⁺与羟基的反应部分被抑制，在石墨烯二维表面原位形成小尺寸晶体，方可成功构建二维异质结；

(2)本发明制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结中的氯氧化铋与氯氧化铋/石墨烯普通异质结相比具有更紧密的界面接触和分散性，有助于光吸收和电子空穴分离，氙灯照射20min，活性氧产量是氯氧化铋/石墨烯普通异质结的1.86倍；

(3)本发明制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结，对金黄色萄球菌和大肠杆菌的抗菌率达到了97.70％和98.99％，而氯氧化铋/石墨烯普通异质结对金黄色萄球菌和大肠杆菌的抗菌率只有68.75％和61.20％，氯氧化铋/石墨烯二维异质结对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效率较氯氧化铋/石墨烯普通异质结分别提高了28.95％和37.79％，氯氧化铋/石墨烯二维异质结短在时间内光催化抗菌效率高。

附图说明

图1为苏州碳丰科技有限公司提供的物理法少层石墨烯拉曼光谱图；

图2为对比例1制备的(a)氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的(b)氯氧化铋/石墨烯二维异质结的sem图；

图3为对比例1中氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结的zeta电位；

图4为对比例1制备的氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结在氙灯光照20min下的活性氧产量；

图5为对比例1制备的氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结在氙灯光照20min下(a)金黄色葡萄球菌和(b)大肠肝菌的存活率。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

所述石墨烯为苏州碳丰科技有限公司提供的物理法少层石墨烯，图1为其拉曼光谱特征峰信息；所述聚乙烯吡咯烷酮的k值为29～32，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。

实施例1

(1)在去离子水中加入石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮，在常温(25～40℃下)下以300w的功率超声分散30min，然后继续搅拌30min，得到石墨烯悬浮液，其中石墨烯浓度为1mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为1mg/ml；

(2)在去离子水中加入甘露醇和五水硝酸铋并搅拌溶解配成a液，其中甘露醇的浓度为23.20mg/ml，五水硝酸铋的浓度为20.64mg/ml，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(3)在a液中加入步骤(1)中的石墨烯悬浮液并搅拌溶解配成b液，其中a液和石墨烯悬浮液的体积比为7：5，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(4)向b液中加入氯化钠水溶液搅拌溶解配成c液，其中b液和氯化钠水溶液的体积比为5：1，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(5)将c液转移至水热反应釜，在烘箱中进行水热反应，水热反应温度为160℃，升温速率为3℃/min，保温时间为3h；

(6)将步骤(5)所得产物离心洗涤，顺序为先3次无水乙醇和后3次去离子水离心洗涤，离心力为6800g，离心时间为8min/次；

(7)将步骤(6)所得产物置于烘箱中干燥，烘箱干燥温度为50℃，烘干时间20h，得到氯氧化铋/石墨烯二维异质结。

实施例2

(1)在去离子水中加入石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮，在常温(25～40℃下)下以300w的功率超声分散30min，然后继续搅拌30min，得到石墨烯悬浮液，其中石墨烯浓度为1mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为1mg/ml；

(2)在去离子水中加入甘露醇和五水硝酸铋并搅拌溶解配成a液，其中甘露醇的浓度为21.30mg/ml，五水硝酸铋的浓度为20.64mg/ml，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(3)在a液中加入步骤(1)中的石墨烯悬浮液并搅拌溶解配成b液，其中a液和石墨烯悬浮液的体积比为6：1，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(4)向b液中加入氯化钠水溶液搅拌溶解配成c液，其中b液和氯化钠水溶液的体积比为5：1，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(5)将c液转移至水热反应釜，在烘箱中进行水热反应，水热反应温度为160℃，升温速率为3℃/min，保温时间为3h；

(6)将步骤(5)所得产物离心洗涤，顺序为先3次无水乙醇和后3次去离子水离心洗涤，离心力为6800g，离心时间为8min/次；

(7)将步骤(6)所得产物置于烘箱中干燥，烘箱干燥温度为60℃，烘干时间18h，得到氯氧化铋/石墨烯二维异质结。本实施例制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结的结构与实施例1相似，光催化抗菌性能也与实施例1相似。

实施例3

(1)在去离子水中加入石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮，在常温(25～40℃下)下以300w的功率超声分散30min，然后继续搅拌30min，得到石墨烯悬浮液，其中石墨烯浓度为1mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为1.2mg/ml；

(2)在去离子水中加入甘露醇和五水硝酸铋并搅拌溶解配成a液，其中甘露醇的浓度为25.50mg/ml，五水硝酸铋的浓度为20.64mg/ml，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(3)在a液中加入步骤(1)中的石墨烯悬浮液并搅拌溶解配成b液，其中a液和石墨烯悬浮液的体积比为40：5，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(4)向b液中加入氯化钠水溶液搅拌溶解配成c液，其中b液和氯化钠水溶液的体积比为7：1，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(5)将c液转移至水热反应釜，在烘箱中进行水热反应，水热反应温度为180℃，升温速率为3℃/min，保温时间为2.5h；

(6)将步骤(5)所得产物离心洗涤，顺序为先3次无水乙醇和后3次去离子水离心洗涤，离心力为8000g，离心时间为7min/次；

(7)将步骤(6)所得产物置于烘箱中干燥，烘箱干燥温度为80℃，烘干时间12h，得到氯氧化铋/石墨烯二维异质结。本实施例制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结的结构与实施例1相似，光催化抗菌性能也与实施例1相似。

实施例4

(1)在去离子水中加入石墨烯和聚乙烯吡咯烷酮，在常温(25～40℃下)下以300w的功率超声分散30min，然后继续搅拌30min，得到石墨烯悬浮液，其中石墨烯浓度为0.5mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为0.6mg/ml；

(2)在去离子水中加入甘露醇和五水硝酸铋并搅拌溶解配成a液，其中甘露醇的浓度为23.20mg/ml，五水硝酸铋的浓度为20.64mg/ml，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(3)在a液中加入步骤(1)中的石墨烯悬浮液并搅拌溶解配成b液，其中a液和石墨烯悬浮液的体积比为40：5，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(4)向b液中加入氯化钠水溶液搅拌溶解配成c液，其中b液和氯化钠水溶液的体积比为8：1，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(5)将c液转移至水热反应釜，在烘箱中进行水热反应，水热反应温度为170℃，升温速率为3℃/min，保温时间为3h；

(6)将步骤(5)所得产物离心洗涤，顺序为先3次无水乙醇和后3次去离子水离心洗涤，离心力为7000g，离心时间为8min/次；

(7)将步骤(6)所得产物置于烘箱中干燥，烘箱干燥温度为60℃，烘干时间18h，得到氯氧化铋/石墨烯二维异质结。本实施例制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结的结构与实施例1相似，光催化抗菌性能也与实施例1相似。

对比例1

(1)在去离子水中加入氧化石墨烯，在常温(25～40℃下)下以300w的功率超声分散30min，然后继续搅拌30min，得到氧化石墨烯悬浮液，其中氧化石墨烯浓度为1mg/ml；

(2)在去离子水中加入甘露醇和五水硝酸铋并搅拌溶解配成a液，其中甘露醇的浓度为23.20mg/ml，五水硝酸铋的浓度为20.64mg/ml，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(3)在a液中加入步骤(1)中的氧化石墨烯悬浮液并搅拌溶解配成b液，其中a液和石墨烯悬浮液的体积比为7：5，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(4)向b液中加入氯化钠水溶液搅拌溶解配成c液，其中b液和氯化钠水溶液的体积比为5：1，搅拌速率为200rpm，搅拌时间为10min；

(5)将c液转移至水热反应釜，在烘箱中进行水热反应，水热反应温度为160℃，升温速率为3℃/min，保温时间为3h；

(6)将步骤(5)所得产物离心洗涤，顺序为先3次无水乙醇和后3次去离子水离心洗涤，离心力为6800g，离心时间为8min/次；

(7)将步骤(6)所得产物置于烘箱中干燥，烘箱干燥温度为50℃，烘干时间20h，得到氯氧化铋/石墨烯普通异质结。

图1为石墨烯的拉曼光谱特征峰信息。

图2是本发明对比例1制备的氯氧化铋/石墨烯普通异质结sem图(图2a)和实施例1中制备氯氧化铋/石墨烯二维异质结sem图(图2b)。通过对比图2a和图2b可以得出，氯氧化铋/石墨烯普通异质结本身容易团聚，氯氧化铋/石墨烯二维异质结表面的氯氧化铋分布均匀，拥有更大光吸收和催化反应的表面积。

图3是对比例1中氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结在水溶剂中的zeta电位，氯氧化铋/石墨烯普通异质结的zeta电位为-21.10mv略高于氯氧化铋/石墨烯二维异质结的17.15mv，拥有在水溶剂中更好的分散稳定性。

将对比例1制备的氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结进行活性氧产量测试和光催化抗菌性能测试：

(a)将对比例1制备的氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结进行活性氧产量测试。

将二氯荧光素加入到50mg/ml的氯氧化铋/石墨烯普通异质结或氯氧化铋/石墨烯二维异质结水溶液中，混合液中二氯荧光素的浓度为10μmol/l，在黑暗环境中，采用100w氙灯照射20min，检测混合溶液受488nm激发光激发在525nm处的荧光强度，荧光强度可以代表活性氧产量。图4是活性氧产量图，在光照20min后，氯氧化铋/石墨烯二维异质结活性氧产量是氯氧化铋/石墨烯普通异质结的1.86倍。

(b)将对比例1制备的氯氧化铋/石墨烯普通异质结和实施例1制备的氯氧化铋/石墨烯二维异质结进行光催化抗菌性能测试。

将含有500mg/ml的氯氧化铋/石墨烯普通异质结或氯氧化铋/石墨烯二维异质结与5×10⁷cfu/ml革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌(atcc25923)或革兰氏阴性细菌大肠杆菌(atcc25922)的生理盐水溶液在500w氙灯照射下，共培养20min。将处理后菌液用生理盐水稀释1×10⁴倍，取50μl涂覆在琼脂平板上，在37℃的培养箱中温育14h，通过平板菌落数计数法确定存活细菌，每组3个平行样。细菌存活率＝n/n0×100％，n为各组样品菌落数，n0为空白对照组(即不加异质结)样品菌落数平均值，抗菌率＝100％-细菌存活率。图5显示出氯氧化铋/石墨烯二维异质结对金黄色萄球菌和大肠杆菌的抗菌率达到了97.70％和98.99％，而氯氧化铋/石墨烯普通异质结对金黄色萄球菌和大肠杆菌的抗菌率只有68.75％和61.20％，氯氧化铋/石墨烯二维异质结对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效率较氯氧化铋/石墨烯普通异质结分别提高了28.95％和37.79％。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。