一种细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法，其步骤为；配制液体培养基，然后接入菌种木醋杆菌，在温度15-25℃下旋转震荡培养12-24小时，针孔过滤加入氨基酸螯合亚铁，在温度15-25℃下旋转震荡培养3-5天，过滤，用去离子水冲洗，再冷冻干燥，形成的复合材料经气氛炉高温煅烧，自然冷却后取出，得到细菌纤维素原位掺杂复合材料。本发明专利技术制得的材料具有高能量密度，高电催化活性等优点，可用于氧还原反应，燃料电池，超级电容器等领域，并且本发明专利技术制备工艺简单，操作方便。

Method for preparing bacterial cellulose in-situ doping composite material

The invention discloses a method for preparing bacterial cellulose in situ doped composite materials, which comprises the following steps; preparation of liquid culture medium, and then access strains of Acetobacter xylinum, at 15-25 Deg. C rotation shake culture 12-24 hours, pinhole filter added amino acid chelated ferrous in the temperature of 15-25 DEG rotation shake culture 3-5 days, filtering then, rinse with deionized water, freeze drying, calcination temperature of composite materials by atmosphere furnace formed by natural cooling after removing the bacterial cellulose in situ doped composite materials. The material prepared by the invention has the advantages of high energy density, high electrocatalytic activity, etc., and can be used in the field of oxygen reduction reaction, fuel cell, super capacitor and the like, and the preparation process is simple and the operation is convenient.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于掺杂材料的制备领域，具体涉及一种细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法。
技术介绍
细菌纤维素是通过微生物发酵过程产生的天然纤维，不同于一些复杂设备和大型工厂需求的合成纤维，一般应用于造纸、食品和电子行业。细菌纤维素的产生只需要一些原材料，比如，葡萄糖、果糖、蔗糖、壳聚糖等等，而且这些原材料是可再生能源，可以从陆地上的植物和海洋里的甲壳类动物中获得。近几年，细菌纤维素作为一种新型生物纳米材料，由于其具有价格低廉、机械强度高、比表面高和充足的孔隙率、来源丰富等优势而引起广泛的关注。细菌纤维素本身是一种具有多孔性结构和一定的纳米级孔径分布的材料，其纳米级纤维上具有许多有效的反应活性位点，利用这些活性位点可控制合成具有预期特定形貌或者尺寸的纳米材料。从铁的吸收转运机制我们可以知道，不论是二价铁离子还是三价铁离子，都必须与内源或外源配位体结合形成络合物，再以此形式吸收并进一步转运，而氨基酸就是这些配位体中较合适的一种。氨基酸螯合亚铁作为一种新型的铁添加剂，具有化学性能稳定、水溶性良好、生物效价高、无毒无刺激性、适口性好、增强机体免疫功能等特性，还可减少与其它微量元素的拮抗。氨基酸螯合亚铁的稳定常数界于4-10之间，这有利于铁的吸收、转运和利用。螯合状态下的微量元素是利用配位体的转运系统，而不是金属的转运系统吸收的，避免了金属离子的竞争拮抗，从而比无机铁有更高的生物利用率，吸收率是无机态微量元素的5-10倍。同时氨基酸螯合亚铁含有氮元素，可以作为氮、铁合掺杂的一种有效原料。目前做细菌纤维素掺杂的大多是后掺杂，掺杂量一般比较小，而且掺杂元素不能同时进行，制得的复合材料的能量密度以及电催化活性较低。通过氨基酸螯合亚铁和木醋杆菌共生长的方式进行原位掺杂，两种元素可以同时掺杂，避免铁离子对细菌生长的抑制，提高了细菌纤维素的掺杂量。现在技术中，尚未有关一种细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法的文献报道。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术中细菌纤维素在原位掺杂时，三价铁离子对木醋杆菌的抑制，二价铁离子易被氧化成三价铁离子，从而抑制木醋杆菌分泌细菌纤维素等问题。本专利技术以木醋杆菌分泌的细菌纤维素为原料，原位掺杂进氨基酸螯合亚铁，制得一种细菌纤维素原位掺杂复合材料；该材料具有高能量密度，高电催化活性等优点，可用于氧还原反应，燃料电池，超级电容器等领域。本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将葡萄糖、柠檬酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、酵母膏、蛋白胨加入水中，溶解、混合均匀并调节pH至5-7，在压力100-105千帕蒸汽压、温度115-120℃的条件下维持15-20分钟进行灭菌，即制得液体培养基；其中每100毫升液体培养基中含葡萄糖5-6克、柠檬酸0.1-0.2克、磷酸氢二钠0.2-0.4克、磷酸二氢钾0.1-0.2克、酵母膏0.5-0.7克、蛋白胨0.5-0.7克、余量为水；步骤二、在液体培养基中接入菌种木醋杆菌，在温度为15-25℃、转速为80-200转/分钟的转震条件下培养12-24小时；采用针孔式过滤器向液体培养基中加入氨基酸螯合亚铁溶液，在温度15-25℃、转速为80-200转/分钟的转震条件下培养3-5天，过滤，得到的固体物用去离子水冲洗3～5次，然后在零下40-50℃、真空度1.3-13帕的条件下冷冻干燥48-72小时，得到干燥的固体材料；步骤三、将干燥的固体材料放到气氛炉中，以50-80毫升/分钟的流量通入保护性气体，同时升温到700-900℃，保温2-4小时，自然冷却后取出，即得到细菌纤维素原位掺杂复合材料。优选的是，所述步骤二中菌种木醋杆菌按体积分数2-10％的接种量接种于液体培养基中。优选的是，所述步骤二中的氨基酸螯合亚铁为甘氨酸螯合亚铁、蛋氨酸螯合亚铁、谷氨酸螯合亚铁中的一种。优选的是，所述氨基酸螯合亚铁溶液的浓度为1～10克/毫升。优选的是，所述氨基酸螯合亚铁的加入量为液体培养基重量的0.5～4％。优选的是，所述步骤三中的保护性气体为氩气、氮气、氨气中的一种。优选的是，所述步骤三中的气氛炉为旋转气氛炉，所述旋转气氛炉的旋转速度为5～10转/分钟。优选的是，所述步骤三中升温的速率为2～8℃/分钟。优选的是，所述步骤三替换为：将干燥的固体材料放到旋转气氛炉中，从室温升至100℃抽真空，保温10～30分钟，然后以50-80毫升/分钟的气流速度通入保护性气体，以2～5℃/分钟的速度升温至200～400℃，保温30～60分钟，然后以1～2℃/分钟的速度升温至500～700℃，保温30～60分钟，然后以0.5～1℃/分钟的速度升温至800～900℃，保温2～4小时，制得细菌纤维素原位掺杂复合材料；所述旋转气氛炉的旋转速度为5～10转/分钟。优选的是，所述升温采用微波加热升温，所述微波加热的频率为915兆赫兹。本专利技术至少包括以下有益效果：(1)采用本专利技术，细菌纤维素是通过微生物发酵过程产生的天然纤维，与植物或海藻产生的天然纤维具有相同的分子结构单元，细菌纤维素是一种超精细网状结构，结晶度和聚合度高，弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且具有高抗张强度，强持水能力，以及较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性等特点，细菌纤维素本身是一种具有多孔性结构和一定的纳米级孔径分布的材料，其纳米级纤维上具有许多有效的反应活性位点，利用这些活性位点可控制合成具有预期特定形貌或者尺寸的纳米材料。细菌纤维素的产生只需要一些原材料，比如，葡萄糖、果糖、蔗糖、壳聚糖等等，而且这些原材料是可再生能源，可以从陆地上的植物和海洋里的甲壳类动物中获得；(2)采用本专利技术，用氨基酸螯合亚铁进行原位掺杂，可以两种元素同时掺杂，避免铁离子对细菌生长的抑制，螯合状态下的铁元素是利用配位体的转运系统，而不是金属离子的转运系统吸收的，避免了金属离子的竞争拮抗，从而比无机铁有更高的生物利用率，铁氮掺杂量是明显提高。(3)采用本专利技术，制备的细菌纤维素原位掺杂复合材料具有高能量密度，高电催化活性等优点，可用于氧还原反应，燃料电池，超级电容器等领域。(4)本专利技术制备工艺简单，操作方便。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将葡萄糖、柠檬酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、酵母膏、蛋白胨加入水中，溶解、混合均匀并调节pH至5‑7，在压力100‑105千帕蒸汽压、温度115‑120℃的条件下维持15‑20分钟进行灭菌，即制得液体培养基；其中每100毫升液体培养基中含葡萄糖5‑6克、柠檬酸0.1‑0.2克、磷酸氢二钠0.2‑0.4克、磷酸二氢钾0.1‑0.2克、酵母膏0.5‑0.7克、蛋白胨0.5‑0.7克、余量为水；步骤二、在液体培养基中接入菌种木醋杆菌，在温度为15‑25℃、转速为80‑200转/分钟的转震条件下培养12‑24小时；采用针孔式过滤器向液体培养基中加入氨基酸螯合亚铁溶液，在温度15‑25℃、转速为80‑200转/分钟的转震条件下培养3‑5天，过滤，得到的固体物用去离子水冲洗3～5次，然后在零下40‑50℃、真空度1.3‑13帕的条件下冷冻干燥48‑72小时，得到干燥的固体材料；步骤三、将干燥的固体材料放到气氛炉中，以50‑80毫升/分钟的流量通入保护性气体，同时升温到700‑900℃，保温2‑4小时，自然冷却后取出，即得到细菌纤维素原位掺杂复合材料。...

【技术特征摘要】
1.一种细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法，其特征在于，包括以
下步骤：
步骤一、将葡萄糖、柠檬酸、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、酵母膏、蛋白
胨加入水中，溶解、混合均匀并调节pH至5-7，在压力100-105千帕蒸汽压、
温度115-120℃的条件下维持15-20分钟进行灭菌，即制得液体培养基；其中
每100毫升液体培养基中含葡萄糖5-6克、柠檬酸0.1-0.2克、磷酸氢二钠
0.2-0.4克、磷酸二氢钾0.1-0.2克、酵母膏0.5-0.7克、蛋白胨0.5-0.7克、余
量为水；
步骤二、在液体培养基中接入菌种木醋杆菌，在温度为15-25℃、转速为
80-200转/分钟的转震条件下培养12-24小时；采用针孔式过滤器向液体培养
基中加入氨基酸螯合亚铁溶液，在温度15-25℃、转速为80-200转/分钟的转
震条件下培养3-5天，过滤，得到的固体物用去离子水冲洗3～5次，然后在
零下40-50℃、真空度1.3-13帕的条件下冷冻干燥48-72小时，得到干燥的固
体材料；
步骤三、将干燥的固体材料放到气氛炉中，以50-80毫升/分钟的流量通
入保护性气体，同时升温到700-900℃，保温2-4小时，自然冷却后取出，即
得到细菌纤维素原位掺杂复合材料。
2.如权利要求1所述的细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法，其特
征在于，所述步骤二中菌种木醋杆菌按体积分数2-10％的接种量接种于液体
培养基中。
3.如权利要求1所述的细菌纤维素原位掺杂复合材料的制备方法，其特
征在于，所述步骤二中的氨基酸螯合亚铁为甘氨酸螯合亚铁、蛋氨酸螯合亚
...

【专利技术属性】
技术研发人员：竹文坤，段涛，姚卫棠，雷佳，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51