一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法技术

本发明专利技术属于材料合成领域，具体涉及一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法；本发明专利技术利用异化金属还原菌在代谢过程中分解有机物产生电子，GO转化为rGO；再利用水溶性硫酸盐和三价铁作为最终电子受体，获得生物合成的FeS@rGO复合材料，该复合材料可直接用于Cr

one kind FeS@rGO Biosynthesis of composite materials

【技术实现步骤摘要】
一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法
本专利技术属于材料合成领域，具体涉及一种FeS@rGO材料的生物合成方法。
技术介绍
纳米硫化亚铁（FeS）因其独特的分子结构及优异的表面化学特性被广泛应用于环境污染修复，其主要是通过吸附作用、离子交换或沉淀作用于有效固定水体或土壤中重金属离子。但由于FeS易被氧化且易聚集的特性，在水体中迁移性较差，使其实际修复效果不理想。石墨烯材料具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。由于石墨烯表面含有丰富的官能团，催化活性高，能提供大量的吸附位点，故常被用于复合FeS纳米材料，以期满足各领域对FeS-石墨烯复合材料的不同需求。例如，Liu等构建了一种基于FeS/rGO纳米片修饰玻碳电极（GCE）的新型电化学传感器；该传感器具有优异的电催化活性、优异的灵敏度和长时间的稳定性，多巴胺（DA）和对乙酰氨基酚（AC）的的检测限能够达到0.098μM和0.18μM级别（MaterialsScienceandEngineering:C,2017,70:628-636）；Xu等采用水热法制备了FeS微片和GO超薄片复合材料（FeS@GO），FeS@GO在0.1A/g条件下经150次循环后仍能保持1671mAh/g的电容量（InorganicChemistryFrontiers,2018,5(10):2540-2545）。尽管诸多化学法合成的纳米硫化亚铁石墨烯复合材料表现出优良的电化学储能特性、稳定性和出色的理化性质，但该材料的应用仍有所桎梏。这是因为化学合成方法不仅能耗高、反应条件苛刻、催化活性难以控制、而且普遍面临着环境污染的问题，此石墨烯复合材料实际应用效果仍相对较差。所以开发纳米硫化亚铁石墨烯复合材料的生物合成方法，有十分重要的意义。FeS纳米颗粒生物合成法的提出为解决上述问题提供了良好的思路。其合成原理主要是异化金属还原菌能够分解有机物产生电子，利用硫酸盐和含铁盐作为电子受体，进一步结晶成稳定的FeS纳米颗粒。生物合成的纳米FeS不仅形貌规整，更具小尺寸效应，且所含生物有机质使得FeS纳米颗粒均匀分散，可在一定程度上稳定硫化亚铁并防止其聚集，因此FeS纳米颗粒的生物合成方法越来越受研究者重视。然而，直接在在FeS纳米颗粒的生物合成体系中添加GO会导致FeS纳米颗粒与体系中还原的rGO相游离，无法保证FeS与rGO充分结合。
技术实现思路
为了克服化学合成方法能耗高、反应条件苛刻、催化活性难以控制、存在环境污染的不足，本专利技术公开了一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法，实现了使FeS纳米颗粒均匀分布于rGO表面的技术性突破。该方法主要在于利用异化金属还原菌在代谢过程中分解有机物等产生电子，将GO还原为导电性rGO的同时将电子传递到导电rGO表面，进一步将利用水溶性硫酸盐和三价铁作为最终电子受体，由于rGO对三价铁具有良好的吸附作用，同时细菌产生的电子聚集在rGO表面，三价铁可以在rGO表面生物还原成二价铁，同时与生物还原硫酸盐产生的S2-或添加的S2-合成FeS纳米颗粒并锚定在rGO表面，最终通过有机溶剂处理去除细胞及杂质，可获得生物合成的FeS@rGO复合材料。为了解决上述问题，本专利技术公开了一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法，具体步骤如下：（1）预先培养活性良好的异化金属还原菌并准备GO水溶液；（2）取少量GO水溶液分散于一定量缓冲溶液中，添加一定浓度的有机物，超声15min使体系混合均匀；（3）取适量步骤（1）中活性良好的异化金属还原菌菌液离心弃上清，将异化金属还原菌菌泥分散至步骤（2）中混合体系中，恒温振荡培养使GO转化为rGO；（4）在厌氧条件下，取水溶性三价铁盐和水溶性硫酸盐溶液加入步骤（3）得到的rGO体系中，充分恒温振荡培养获得FeS@rGO复合材料。进一步地，步骤（1）中，所述异化金属还原菌包括但不限于奥奈达希瓦氏菌(ShewanellaoneidensisMR-1)、硫还原地杆菌(Geobactersulfurreducens)。进一步地，步骤（2）中，所述GO在缓冲溶液中的终浓度为20-500mg/mL；所述缓冲溶液pH值为7，包括Tris-HCl缓冲液、PBS缓冲液、MOPS缓冲溶液、HEPES缓冲液、磷酸盐缓冲液中的任一种；所述有机物为乳酸、乙酸、葡萄糖或甲酸中的任一种，所述有机物在缓冲溶液中的终浓度为1-100mmol/L。进一步地，步骤（3）中，所述异化金属还原菌在混合体系中OD600为0.1-4。进一步地，步骤（4）中，所述水溶性三价铁盐为氯化铁、硫酸铁、硫酸铁铵或柠檬酸铁中的任一种，所述水溶性三价铁盐在rGO体系中的终浓度为0.1-10mmol/L；所述水溶性硫酸盐为硫酸盐、亚硫酸盐、硫化盐中的任一种，所述硫酸盐在rGO体系中的终浓度为0.1-10mmol/L。进一步地，步骤（3）、（4）所述恒温振荡培养条件均为：温度4~50℃，摇床转速100~250rpm，培养时间4~36h。本专利技术还提供了生物合成的FeS@rGO复合材料应用于去除污水中Cr6+。本专利技术的有益效果：传统FeS@rGO纳米材料主要采用化学合成法，此方法不仅能耗高、催化活性难以控制、还需要添加有毒试剂或产生有毒副产物，容易对环境造成二次污染。FeS@rGO生物法合成方法不仅原料来源广泛、普适性好，反应原子经济性高，还避免了有毒有害化学物质的使用，并且在常温常压下进行，具有成本低和环境友好的优点。本专利技术实施例采用的菌株为奥奈达希瓦氏菌(ShewanellaoneidensisMR-1)，相对于其他菌株来说，希瓦氏菌具有遗传背景清晰、遗传操作简便、培养工艺成熟、生长速度快等诸多优点；但本专利技术可用菌株不限于希瓦氏菌，所有异化金属还原菌均可用于合成本专利技术所述FeS@rGO纳米材料。本专利技术可根据微生物种类的不同和所投加的水溶性三价铁盐和硫酸盐的浓度比例不同，理论上可合成不同尺寸、不同催化活性的的FeS@rGO材料，而不同FeS@rGO材料对于水体中各类污染物的钝化效果不同，从而可以通过调控合成不同类型FeS@rGO材料高效选择性去除污染物。因此生物合成的FeS@rGO材料兼备高效率、高选择性、操作简便、后期方便处理的特性，进一步扩大了FeS@rGO材料在环境、催化、光学、传感和电化学储能性能等领域的应用前景。附图说明图1为实施例1~4中构建不同类型FeS@rGO的生物合成过程初始反应状态的实物图。图2为实施例1~4中构建不同类型FeS@rGO的生物合成过程中反应时刻的实物图。图3为实施例1~4中构建不同类型FeS@rGO的生物合成反应结束后获得的FeS@rGO混合体系。图4为实施例1~4中制备的FeS@rGO的XRD图谱，以生物合成的rGO为对照组。图5为实施例1中生物合成的FeS@rGO材料的TEM电镜图。图6为实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，利用异化金属还原菌在代谢过程中分解有机物产生电子，将氧化石墨烯（GO）转化为还原性石墨烯（rGO）；再利用水溶性硫酸盐和三价铁作为最终电子受体，生物合成FeS纳米颗粒并锚定于rGO片层上，获得生物合成的FeS@rGO复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，利用异化金属还原菌在代谢过程中分解有机物产生电子，将氧化石墨烯（GO）转化为还原性石墨烯（rGO）；再利用水溶性硫酸盐和三价铁作为最终电子受体，生物合成FeS纳米颗粒并锚定于rGO片层上，获得生物合成的FeS@rGO复合材料。


2.根据权利要求1所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）预先培养活性良好的异化金属还原菌并准备GO水溶液；
（2）取少量GO水溶液分散于缓冲溶液中，添加一定浓度的有机物，超声15min使体系混合均匀；
（3）取适量步骤（1）中活性良好的异化金属还原菌菌液离心弃上清，将异化金属还原菌菌泥分散至步骤（2）中混合体系中，恒温振荡培养使GO转化为rGO；
（4）在厌氧条件下，取水溶性三价铁盐和水溶性硫酸盐溶液加入步骤（3）得到的rGO体系中，充分恒温振荡培养获得FeS@rGO复合材料。


3.根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（1）中，所述异化金属还原菌包括但不限于奥奈达希瓦氏菌(ShewanellaoneidensisMR-1)、硫还原地杆菌(Geobactersulfurreducens)。


4.根据权利要求2所述的FeS@rGO复合材料的生物合成方法，其特征在于，步骤（2）中...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐自爱，雍阳春，俞洋洋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32