[發(fā)明專利]一種雙模板生物催化還原制備石墨烯的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610002712.6
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN105463051A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 彭國文;肖方竹;符建文;謝睿;余麗梅;蒲移秋
• 申請（專利權(quán)）人: 南華大學(xué)
• 主分類號: C12P39/00
• 分類號: C12P39/00;C12P3/00;C12R1/01
• 代理公司: 湖南省國防科技工業(yè)局專利中心 43102
• 代理人: 馮青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨烯制備領(lǐng)域，具體涉及一種雙模板生物催化還原制備石墨烯的新 方法。

背景技術(shù)

石墨烯是一種由碳原子以正六邊形組成的蜂窩狀單層二維片層狀晶體材料，其中碳原子以六元環(huán)周期性地緊密堆積排列于石墨烯平面內(nèi)，而且每個碳原子是通過鍵與臨近的三個碳原子相連，S，Px和Py三個雜化軌道組成sp2雜化結(jié)構(gòu)，具有120℃的鍵角，這就賦予石墨烯極高的力學(xué)特性。剩余的Pz軌道的電子在與平面垂直的方向形成軌道，此電子可以在石墨烯晶體平面內(nèi)自由移動，從而石墨烯具有良好的導(dǎo)電性。同時，石墨烯中的各個碳原子之間的連接非常柔軟，一旦外界施加機(jī)械力時碳原子面就彎曲變形，從而使得石墨烯沒有必要將其中碳原子重新排列以應(yīng)對外來機(jī)械力的干擾，這就充分體現(xiàn)了石墨烯優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。正是上述優(yōu)異的物理-化學(xué)特性，石墨烯在電子元器件、能源、信息等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，也成為當(dāng)前科研工作者的研究熱點。

目前，制備石墨烯的方法主要有微機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、碳化硅表面外延 生長法、膠帶法和化學(xué)還原氧化石墨烯法等。但是這些方法大都條件十分苛刻、難以實現(xiàn)， 產(chǎn)品收率低、生產(chǎn)費用昂貴，而且得到產(chǎn)品存在較大的結(jié)構(gòu)缺陷。這就導(dǎo)致了其規(guī)模化生產(chǎn) 受到嚴(yán)重限制。同時，在目前常用的化學(xué)還原氧化石墨烯法中，需要使用一定量的水合阱、 硼氫化鈉、濃硫酸、濃硝酸、重鉻酸鉀、高錳酸鉀、過氧化氫和硫化氫等化學(xué)試劑，這些化學(xué) 試劑價格昂貴而且具有一定的毒性，容易造成環(huán)境污染。因此，研制生態(tài)、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效 的石墨烯制備新方法具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，生物制備法成為一種高效、低成本、環(huán)境友好的制備新方法，在功能材料領(lǐng)域引起人們的極大研究興趣。如利用經(jīng)過基因改造的藍(lán)藻細(xì)菌，通過光合作用高效、廉價地生產(chǎn)出來了具有高結(jié)晶度、超細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高彈性模量和高生物相容性的納米纖維素。利用含有蔛皮素3-O--D-吡喃半乳糖苷的盾柱葉子提取液還原制備得到一種對重金屬Cu²⁺選擇性吸附能力好的納米功能材料。利用單種生物或者微生物（如希瓦氏菌、大腸桿菌、節(jié)桿菌和枯草芽孢桿菌）還原氧化石墨烯制得石墨烯，但是這些生物或者微生物（如希瓦氏菌和大腸桿菌）很多都有一定的致病性，對人類生存環(huán)境存在一定的安全隱患，對生物還原制備石墨烯的擴(kuò)大化有一定的制約性，而且產(chǎn)品的收率較低。因此，研發(fā)安全可靠的非致病性的生物或者微生物還原氧化石墨烯顯得十分有價值。本發(fā)明為了提高石墨烯的制備收率，特采用非致病性的硫酸鹽還原菌和異化鐵還原菌作為雙模板，生物催化還原制備得到石墨烯。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有制備石墨烯的過程中存在的成本過高、制備條件苛刻、 產(chǎn)品收率低及對環(huán)境有毒有害等技術(shù)問題。嘗試以硫酸鹽還原菌和異化鐵還原菌為雙模 板，在弱堿性無氧條件下，采用反應(yīng)條件溫和的生物催化還原氧化石墨烯法，制備得到一種 性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)缺陷度和無序性較低的品質(zhì)優(yōu)良的石墨烯。具體步驟如下：

（1）菌體的活化、培養(yǎng)

實驗所需的硫酸鹽還原菌為Desulfovibriovulgaris（簡稱D.vulgaris），是一種ζ變 形桿菌，嚴(yán)格厭氧。將真空冷凍保存在實驗室的硫酸鹽還原菌D.vulgaris在50mL海生菌 肉湯中于無氧條件下30℃的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中活化培養(yǎng)5.0h，然后離心收集菌體，10000 r/min，10min。使用DM培養(yǎng)液對D.vulgaris菌體進(jìn)行3次洗滌，再將其移至含20mL15 mmol/L乳酸鈉的DM培養(yǎng)液中，于無氧條件下30℃的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中繼續(xù)活化培養(yǎng)10h， 最后，取對數(shù)生長期的D.vulgaris菌絲體進(jìn)行重懸，并控制D.vulgaris菌體培養(yǎng)液的OD= 1.25，離心收集D.vulgaris菌體，8000r/min，30min。

實驗所需的異化鐵還原菌為ShewanellaputrefaciensCN200（簡稱S. putrefaciensCN200），是一種兼性厭氧異化鐵還原菌。將真空冷凍保存在實驗室的異化鐵 還原菌S.putrefaciensCN200菌體移至裝有TSB液體培養(yǎng)基中，于30℃的恒溫振蕩培養(yǎng) 箱中活化培養(yǎng)10h，待TSB培養(yǎng)基長滿菌絲后，離心收集S.putrefaciensCN200菌體，2000 r/min，10min。

（2）氧化石墨烯的預(yù)處理