源于生物质的光催化材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及源于生物质的光催化材料及制备方法，是以动、植物（包含动植物不同状态下的整体或其中部分）和微生物（单一菌种、混合菌群或在发酵培养过程添加后形成的原料等）资源为来源，采用干燥－灼烧－煅烧为主体的变温处理工艺的制备方法，具体为：不同原料不经过或者经过不同的前处理后，于５０℃～１０５℃下烘干至恒重；在空气中２５０℃～４００℃灼烧１５ｍｉｎ～６０ｍｉｎ；５００℃～６００℃下煅烧４～６ｈ，以此方法制备的材料，具有相当于脱氢酶酶活力的光催化活性和良好的有机物降解性能，可用于水处理脱色、染料等污染物降解以及高分子物质聚合度的降低。用此方法制备的材料中，部分具有较高的光电转换功效，可用于太阳能电池等诸多领域。另外，植物来源所制备的材料中，大多在紫外光激发下能持续发出荧光，可以用于荧光生物标记材料的开发，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术所属可持续再生与发展资源、能源及先进材料制备的
涉及生物质资源学、材料科学、环境科学、以及太阳能利用、光催化技术和环境保护等多个学 科交叉领域的相关技术，主要涉及一种能够大规模利用天然有机体生物质资源制备具有 特殊功能和天然结构的无机材料的技术。
技术介绍
1972年第一篇有关光催化剂的研究论文发表后，世界各国纷纷投入以Ti02为主 的第一代光催化剂研究中，但由于其禁带较宽几乎不能利用可见光，开发第二代能够利 用太阳光的光催化剂成为当前研究的热点。1992年自Mobil公司首次合成介孔分子筛如 MCM-41以来，液晶模板、聚合物模板等模板技术在介孔材料的制备中日新月异地广泛 应用。生物矿化是生命科学与化学、物理学和材料科学明显的学科交叉与渗透点，研究 并模仿生物矿化的过程可为人工合成具有特殊物理及化学性能的材料及智能材料开拓新 视野。目前，国内已经有了制备反蛋白石结构的光子晶体材料，模拟生物矿化过程得到 多种无机纳米材料，以及人工肌肉和生物芯片构建的研究报道。 生物矿化物是一种特殊的生物材料，从细菌中的磁性体到珊瑚、贝壳、牙齿和 骨头，广泛存在于生物界，并在生物体中承担听觉感受、重力感受、利用地球磁场导 航、临时储存离子、硬化和强化特定生物组织等多种作用。生物矿化的奇特之处在于其 过程是一个天然存在的高度控制过程，受生物机体内在机制调制，利用少量有机大分子 操纵并完成分子的成核、生长，最后形成纳米结构材料。可以实现从分子水平到介观水 平上对晶体形状、大小、结构、位向和排列的精确控制和组装，从而形成复杂的分级结 构，具备特殊的光、磁和力学性能。如贝壳、牙齿、骨骼等，都是典型的生物矿物，硅 藻土是最为大量与典型的生物合成矿物无机材料。虽然组成这些生物矿化材料的主要无 机成分均广泛存在于自然界中，甚至有的矿物质(如方解石、羟基磷灰石)从组成和结晶 方式来看与岩石圈中相应的矿物都是相同的，但是一旦受控于这种特殊的生命过程，便 具有常规材料所不可比拟的优点。Weiner和Addadj(1997)提出矿质相和有机相的作用是 生物材料显著力学特性的关键因素，这表明生物策略的高度智能性，使得本质上各向异 性的一维大分子和矿质结构体自组装产生各向同性的纳米结构体。在生物系统中大分子 同时控制晶体生长和通过吸附特殊专一晶面控制纳米结构体的形状，形成的纳米结构体 具有长程有序的特点。某些细菌细胞膜也不同程度发生矿化，细胞外膜含有规则排列的 蛋白质分子，从而作为模板诱导矿化微结构纳米材料合成。 植物有机体中生物矿化物的形成是新陈代谢作用的结果。植物界中无论裸子植 物、被子植物，还是蕨类、藻类、地衣、苔藓，都广泛存在生物矿化现象。裸子植物中 生物矿化常发生在细胞壁上或细胞壁内，被子植物则出现在细胞液泡内。植物组织产生 的最主要的生物矿物有3种草酸钙、硅石和碳酸钙。其中硅石广泛存在于植物界数百 个科的植物组织中，甚至几乎所有的生物体内都含有生物矿化硅，也称其为硅质体。它是生物体内除碳酸盐外，含量第二多的矿物质，是很多生物体的骨架结构材料，甚至参 与主要的新陈代谢过程(例如硅藻)。从进化树进程来看，进化程度越高，硅与其它元 素在植物中的结构与关系变得更加复杂多样性，在量上却是减少的，而钙的量却显著增 加，承担的功能也变的极为复杂。从藻，地衣、蕨类、裸子植物到被子植物的变化情况 就是如此。当然从这个角度，禾本科植物则成了一个特殊的喜硅分枝类型。大量实验证 明生物矿化硅对于生物的生长发育存在许多有益作用。在植物体内，硅质体是作物重 要的组成部分，有利于提高作物的光合效率，能增强作物对病虫害的抵抗力，改善植株 结构，增大植物强度与刚性，提高植物的抗逆性。 生物矿化物不同寻常的性能来源于在特定生物环境条件下，材料巧妙的组装过 程及其所具有的精细的微观结构。这是其魅力所在，也启发并引领人们开展了大量仿生 材料的研究。目前，对于功能材料的制备主要为人工合成具有特定尺寸、形貌、生长 取向和复杂组装形式的无机和无机-有机杂化材料，或者直接利用生物自身形成的天然模 板催化诱导、自组装生产有特殊作用的仿生材料。尽管研究取得了许多新的进展，但由 于人类对于生物体奥秘的认知程度有限，很多材料的功能性远不如生物体在其生命过程 中形成的天然生物材料。因此，从生物体直接获取天然材料，并探索和认知其结构与功 能，是模仿自然界生物现象开发和合成纳米新材料与新结构的重要前提。 随着人类对地球环境和实现可持续发展的日益重视，生物质资源的开发利用受 到各国政府及全世界科学家的普遍关注。据估计，地球上每年通过光合作用形成的生物 质高达1.0X10"吨，其所蕴含的能量大约是人类每年消耗的化石能源的10倍。其中， 绿色植物是地球上最丰富的可再生有机质，其天然木质纤维素结构中蕴含着丰富的可利 用糖，将其转化成食品仓库、能源仓库和有机化工原料仓库是人类一直追求的目标。但 到目前为止，这一梦想尚未真正实现，仍有89%的木质纤维素资源未被合理利用，并且 离工业化生产还有很大距离。因此，除了传统工业生产部门，如何进一步有效地利用生 物质，开拓天然木质纤维素资源在新技术、新材料和新能源领域中的应用，是意义重大 的课题。因此，本专利技术者小组思考如何以一种世界未有的新特色的研究方法来有效地 利用生物多样性和资源化生物质资源，多方位地深入进行环境和水资源的保护，以及推 进能源与粮食安全生产等。那么从自然界生物结构和生物质资源有效利用的角度入手， 结合生物现象，探索和认识天然生物材料和结构在生物体中的特异作用，将为今后仿生 材料在各个领域的应用和发展开拓新视野。 在以上背景下，纵观地球演变，大自然经过亿万年进化，生物体内部的结构和 功能与外界环境已经形成了近乎完美的"默契"，生物材料具有多样性的同时又存在生 物特异性。本专利技术者研究小组对自然界中放置在田间的秸杆仔细观察，发现潮湿的秸杆 在阳光照射下反而较完全干燥的秸秆先自然脆裂，而且也比背阴下的易先腐烂，抛开微 生物作用产生的不同差别，可能存在人们不曾注意的因素。因此提出植物纤维自然降 解过程下被降解部位中的无机物(由太阳能硅电池与硅纳米材料与禾本科喜硅类植物如水 稻基础知识想到)可能起着光催化击断作用，取出植物中无机材料应有意想不到的发现和 功用。同时专利技术者之一的刘士清认为，纤维素的降解需要纤维素酶，而纤维素酶的宏观 不定型很难直接作为模板仿生合成反相"拓"下的纤维素酶结构，功能更不能肯定。因 此，若直接以纤维素为模板获得对应其纤维素结构特征的合成材料，那么对于纤维素的4结构来说此合成材料在一定程度上应该具有和纤维素酶相似的镶嵌吻合特征，即由酶与 底物的嵌合可推陈出底物与合成材料的嵌合，只是材料与酶降解纤维素的作用机理及其 驱动能不同。基于以上假设，以多样性的天然有机体或有机体不同组织与器官为原始模 板仿生，直接选择性地"拓"下生物有机大分子或不同组织的表层显微结构或构象，甚 至进一步选择性地利用微生物的生理生化与生长过程进行材料的合成变得意义重大，同 时极具挑战性。而研究被生物自然赋予了天然结构的无机材料和其所具备的特殊功能作 用，揭开其中的奥秘是重中之重。
技术实现思路
本专利技术从直接利用自然界天然或经人工栽种与培本文档来自技高网...

【技术保护点】
源于生物质的光催化材料及制备方法，其特征在于是以动物、植物和微生物有机体资源为原料，不同原料不经过或者经过不同的前处理后，采用以干燥－灼烧－煅烧为主体的变温处理工艺制备天然光催化生物材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马欢，刘士清，吴跃进，刘伟伟，
申请(专利权)人：中国科学院等离子体物理研究所，
类型：发明
国别省市：34[]