一种光酶耦合催化材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种光酶耦合催化材料的制备方法及其应用，制备方法包括如下步骤：步骤一、将GO和TiO

【技术实现步骤摘要】
一种光酶耦合催化材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及光催化复合材料
，尤其涉及一种光酶耦合催化材料的制备方法及其应用。
技术介绍
细菌纤维素(BC)是由醋酸菌属类微生物培养过程中得到的三维气凝胶纳米纤维(直径约为40-60nm)，BC纳米纤维膜具有三维柔性结构，同时具有高结晶性、高持水性和高拉伸强度及可降解性等独特的物理化学性能，其在环保、食品、医药等领域具有广泛的应用前景。水刺黏胶纤维是通过高压微细水流喷射到多层纤维网上使纤维缠结到一起，从而使纤维得到加固而形成具备一定强力的纤维膜。由于其制备过程的简便高效，环境无污染等特性，逐渐的走进人们的视野，被广泛的用于医疗用品、工业用品、服装用品等领域。TiO2半导体作为一种常见的光催化剂，由于其具备良好的电子结构组合，光吸附特性，载流子传输特性以及激发态寿命，因而被广泛的应用到降解有机污染物领域。但是，由于光催化剂自身的一些缺点从而限制了其催化性能，如催化剂难于从反应体系中回收，容易造成二次污染；其次，TiO2的带隙宽度较宽，约为3.2eV，因此需要太阳光中少部分的高能量紫外光光照才能够激发，使其产生光生电子-空穴对，并且产生的光生电子和空穴很快就会复合。因此，研究学者尝试利用外加氧化剂等(O3、O2、Fe3+)修饰TiO2催化剂。首先，外加氧化剂修饰已经被证明有利于光生载流子的传输，进而在可见光照射下提高其光电转化效率。其次，在光催化反应体系中加入外加氧化剂(O3、O2、Fe3+)，反应体系中的氧化剂与电子反应，不仅可以促进体系中羟基的产生，而且可以抑制电子与空穴的复合，这两个方面均是提高光催化氧化反应速率和效率的重要方式。酶作为一种高效的生物催化剂，具有环保性、高效性、专一性、催化条件温和等特点，可被广泛的应用于医药、食品、造纸、纺织、环境等领域。然而，酶在实际生活使用中同样存在较多的缺陷。一方面，生物酶在游离状态下很难长时间稳定保存，在实际应用中极易受到环境的变化(如强酸、强碱、高温以及相应有机溶剂)而对酶特殊空间结构或构像造成影响，从而造成生物酶变性失活；另一方面，酶在游离条件下使用时，难于从反应体系中彻底分离，容易造成反应体系的二次污染，而且酶在实际的使用过程中不能多次重复使用，造成极大浪费。为解决上述问题，进一步拓宽酶的应用领域，固定化酶技术应运而生。固定化酶技术是指采用特定的载体，通过一定的固定化酶方法，使生物酶限定在某一区域内进行催化反应，研究发现，固定化酶技术不仅能够很好的保证酶的各种催化特性，而且使生物酶呈现稳定性高、可多次重复使用、操作连续及可控、分离回收容易等一系列优点。原子转移自由基聚合(ATRP)是一种新型的活性聚合反应，通过ATRP技术可以在聚合物表面获得具有分子刷结构的高密度接枝，由于高密度接枝的侧链之间相互排斥，致使高分子聚合物主链相对伸直，整个聚合物呈现毛刷状的构像，具有超高的比表面积，并因分子设计而使其表面具有丰富的功能性基团。ATRP技术由于兼具自由基聚合和活性聚合的优点，可利用纤维表面的大量羟基为活性位点，接枝功能性分子刷。另外，该方法适用单体范围广，在温和的条件下，通过对关键因素的合理优化可在材料表面得到聚合度可控的分子刷，目前的相关研究报道多数是在微米尺度纤维基材料表面接枝分子刷，并应用于核酸和蛋白质的固定。但基于细菌纤维素纳米纤维和GO(石墨烯)切片进行ATRP改性并应用于无机和生物催化剂的固定等领域尚未得到突破性进展。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本专利技术提供一种光酶耦合催化材料的制备方法及其应用，目的是构建一种染料废水高效降解的光酶耦合催化材料。基于上述目的，本专利技术提供了一种光酶耦合催化材料的制备方法包括如下步骤：步骤一、将GO和TiO2负载于水刺黏胶纤维膜上；步骤二、将负载GO和TiO2的水刺黏胶纤维膜置于木醋杆菌培养液中通过原位生长的方式制备水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜；步骤三、对水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜进行ATRP接枝改性处理；步骤四、对接枝改性后的水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜配位过渡金属离子；步骤五、对配位过渡金属离子的水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜进行氧化还原酶的固定化，以得到光酶耦合催化材料。优选的，所述步骤一中GO和TiO2负载于水刺黏胶纤维膜上的方法是取GO切片和TiO2纳米粒子于去离子水中形成溶液，之后经超声振荡后形成均匀溶液，然后采用水刺胶黏纤维膜抽滤所述均匀溶液，以制备水刺黏胶纤维膜/GO/TiO2复合纤维膜；其中，GO切片及TiO2纳米粒子与去离子水的质量体积比为(0.01-0.2)g:(0.02-0.3)g:500mL。更优选的，所述GO切片及TiO2纳米粒子与去离子水的质量体积比为(0.1-0.15)g：(0.25-0.3)g：500mL，且采用水刺胶黏纤维膜连续两次抽滤所述均匀溶液。采用此配比，使得最终制得的催化材料具有更高的亚甲基蓝和活性红降解率。优选的，所述步骤二中制备水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜的方法包括如下步骤：a、将木醋杆菌菌液置于装有水刺黏胶纤维膜/GO/TiO2复合纤维膜的培养皿中，在30℃恒温条件下静置培养3-7天；b、从培养液中取出水刺黏胶纤维膜/GO/TiO2复合纤维膜，在80-100℃温度下，先用0.1～0.5mol/L的NaOH溶液进行反应24～48h去除培养基，然后采用去离子水在60-100℃温度条件下，去除多余的杂质和碱液，最后在零下60℃下经过冷冻干燥24～48h后得到水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合材料。优选的，所述木醋杆菌培养液的成分为每L培养液中含有胰蛋白胨2.8-3.5g、酵母粉4.9-5.5g和甘露醇23-25g。优选的，所述步骤三中进行ATRP接枝改性处理的方法包括如下步骤：S1、水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜引发反应：先将水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜放入四氢呋喃中搅拌除杂，之后放于体积比为65-75:45-55:60-65的三乙胺、四氢呋喃和二溴代异丁酰溴的混合溶液中，在35℃恒温水浴锅中震荡反应完成后取出，然后用四氢呋喃清洗后，保存于四氢呋喃中；S2、水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜接枝改性：(1)、将体积比为55-60:1-2的N，N二甲基乙酰胺与羟乙基三亚乙基四胺混合形成A溶液；(2)取甲基丙烯酸羟乙酯冷冻、解冻后，将Cu2O放入甲基丙烯酸羟乙酯溶液中重新冷冻解冻三次形成B溶液；所述甲基丙烯酸羟乙酯与N，N二甲基乙酰胺的体积比为1:1，Cu2O与甲基丙烯酸羟乙酯的质量体积比为0.1-0.2:48-50g/mL；(3)将A、B溶液分别放入氮气氛围的手套箱中，待B溶液融化后搅拌均匀，之后将水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜放入A与B混合溶液中反应；(4)将反应后的水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜取出，依本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光酶耦合催化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤一、将GO和TiO

【技术特征摘要】
1.一种光酶耦合催化材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将GO和TiO2负载于水刺黏胶纤维膜上；
步骤二、将负载GO和TiO2的水刺黏胶纤维膜置于木醋杆菌培养液中通过原位生长的方式制备水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜；
步骤三、对水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜进行ATRP接枝改性处理；
步骤四、对接枝改性后的水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜配位过渡金属离子；
步骤五、对配位过渡金属离子的水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜进行氧化还原酶的固定化，以得到光酶耦合催化材料。


2.根据权利要求1所述光酶耦合催化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中GO和TiO2负载于水刺黏胶纤维膜上的方法是取GO切片和TiO2纳米粒子于去离子水中形成溶液，之后经超声振荡后形成均匀溶液，然后采用水刺胶黏纤维膜抽滤所述均匀溶液，以制备水刺黏胶纤维膜/GO/TiO2复合纤维膜；其中，GO切片及TiO2纳米粒子与去离子水的质量体积比为(0.01-0.2)g:(0.02-0.3)g:500mL。


3.根据权利要求2所述光酶耦合催化材料的制备方法，其特征在于，所述GO切片及TiO2纳米粒子与去离子水的质量体积比为(0.1-0.15)g：(0.25-0.3)g：500mL，且采用水刺胶黏纤维膜连续两次抽滤所述均匀溶液。


4.根据权利要求1所述光酶耦合催化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中制备水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合纤维膜的方法包括如下步骤：
a、将木醋杆菌菌液置于装有水刺黏胶纤维膜/GO/TiO2复合纤维膜的培养皿中，在30℃恒温条件下静置培养3-7天；
b、从培养液中取出水刺黏胶纤维膜/GO/TiO2复合纤维膜，在80-100℃温度下，先用0.1～0.5mol/L的NaOH溶液进行反应24～48h去除培养基，然后采用去离子水在60-100℃温度条件下，去除多余的杂质和碱液，最后在零下60℃下经过冷冻干燥24～48h后得到水刺黏胶纤维/GO/TiO2/BC复合材料。


5.根据权利要求1所述光酶耦合催化材料的制备方法，其特征在于，所述木醋杆菌培养液的成分为每L培养液中含有胰蛋白胨2.8-3.5g、酵母粉4.9-5.5g和甘露醇23-25g。


6.根据权利要求1所述光酶耦合催化材料的制备方法，其特征在于，所述步骤三中进行ATRP接...

【专利技术属性】
技术研发人员：武丁胜，凤权，刘锁，曾海鳌，陶云，胡金燕，陈子秀，周堂，赵磊，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34