幾種生物反應體系對石墨和氧化石墨烯的作用及機理研究.pdf

1、近年來，隨著石墨烯等碳材料的廣泛研究和應用領域的擴展，不可避免地對自然環(huán)境、生物和人類健康等產(chǎn)生長期作用或影響，科學家已越來越重視石墨烯等新興碳材料對生物的適應性及相互作用研究。同時，長期以來，石墨作為“自上而下”法制備石墨烯等碳納米材料的原材料，由于其良好的化學穩(wěn)定性而使得科學家對其性能的研究局限于物理、化學等領域，而忽視了自身帶有缺陷的石墨反應活性增強，并可能與生物體系之間產(chǎn)生相互作用。論文中，選取了幾種具有代表性的氧化或還原能力較

2、強的微生物，研究了其生物反應體系對石墨、氧化石墨烯(GO)的生物氧化、降解和GO的生物還原同步N摻雜作用、反應機理，并對石墨烯、生物酶等簡化分子模型進行了第一性原理理論研究。相對于化學法等方法制備石墨烯和N摻雜石墨烯過程中使用高污染試劑、高能耗等缺點，生物法反應溫和、綠色環(huán)保，制備的多孔石墨烯和N摻雜石墨烯在生物醫(yī)學、儲能材料等領域具有廣泛的應用前景。具體內容如下:
　　氧化亞鐵硫桿菌對石墨的微氧化作用及其機理研究。氧化亞鐵硫桿菌

3、是一種從礦山酸性廢水中分離出來的極端嗜酸桿菌，它廣泛應用于金屬硫化礦等礦物材料的生物浸礦和微生物加工。本文選取實驗室保藏的氧化亞鐵硫桿菌Acidithiobacillus ferrooxidans CFMI-1，在培養(yǎng)體系中添加適量石墨對其進行生物馴化，獲得對石墨適應性強的菌株。在自制的生物反應系統(tǒng)（5L玻璃反應釜）中，采用馴化后的氧化亞鐵硫桿菌添加石墨進行連續(xù)多次生物作用。經(jīng)該生物反應體系處理后的石墨在乙醇中具有較好的分散性，但從呈現(xiàn)

4、的顏色為黑色以及對水的浸潤角為85°左右等現(xiàn)象表明其氧化程度較低;經(jīng)X射線光電子能譜(XPS)、能量色散X射線(EDX)、拉曼光譜(Raman spectra)等測試分析，樣品中出現(xiàn)了少量而確定的氧元素，其化學狀態(tài)為-OH、C-O-C和-COOH等;經(jīng)透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)等分析發(fā)現(xiàn)，部分石墨片層被剝離，在邊緣處有明顯的納米級小片層剝離脫落現(xiàn)象，且對化學法制備的氧化石墨烯作用后出現(xiàn)了較多的納米級缺陷小洞，表明氧

5、化亞鐵硫桿菌反應體系對石墨和GO產(chǎn)生了生物侵蝕作用;氧化亞鐵硫桿菌與石墨片的機理實驗研究表明石墨或氧化石墨烯本身的表面缺陷和細胞與石墨表面的直接接觸作用是生物侵蝕或氧化的兩個重要條件。
　　硝化細菌對石墨的生物微氧化作用研究。以實驗室保藏的硝化細菌Nitrifying bacteria2011.2在好氧條件下對石墨進行生物作用，經(jīng)多次生物處理后獲得了生物微氧化石墨。獲得的生物微氧化石墨在乙醇中的分散性好，懸浮液顏色為黑色，表明其氧

6、化程度較低，生物微氧化石墨對水的浸潤角為78°左右，驗證了石墨己發(fā)生微氧化作用;Raman、XPS等圖譜分析表明，硝化細菌生物作用的微氧化石墨氧化程度低、含氧基團少;經(jīng)TEM、AFM等分析顯示，經(jīng)硝化細菌生物多次處理后形成了50-300nm大小、2-3層石墨烯片厚度的氧化石墨烯片和20-60nm大小、2-4nm高的碳納米顆粒。
　　反硝化細菌對氧化石墨烯的生物還原/同步N摻雜作用研究。以實驗室保藏的反硝化細菌Denitrifyin

7、g bacteria CFMI-1在厭氧條件（充氮氣）下對改進的Hummers法制備的氧化石墨烯進行生物還原和同步N摻雜實驗研究。在厭氧條件下培養(yǎng)5天后，黃褐色的氧化石墨烯變?yōu)楹谏氖?，并發(fā)生聚集沉降;經(jīng)XPS、紅外光譜等分析表明，反硝化細菌生物反應體系生物還原法制備的石墨烯上含有原子相對比例較高N元素，說明生物N摻雜與生物還原同步進行;經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，N元素的化學狀態(tài)可能以吡啶N或氨基氮、吡咯N為主，未發(fā)現(xiàn)石墨N;通過形貌觀察，N摻雜

8、石墨烯的片層之間堆疊現(xiàn)象明顯，其尺寸分布在納米級到微米級之間;此外，實驗中發(fā)現(xiàn)反硝化細菌胞外分泌物對生物還原和N摻雜起著重要的作用，細胞本身并無明顯還原或N摻雜效果。
　　白腐真菌對石墨/氧化石墨烯的微氧化或生物降解作用研究。以發(fā)酵法生產(chǎn)的細菌纖維素(BC)膜塊為固定化載體，對實驗室保藏的白腐真菌CFMI-1進行固定化，再以固定化的白腐真菌對石墨和GO進行生物作用，并對生物作用后的微氧化石墨和石墨烯進行表征。結果顯示，白腐真菌菌絲

9、可均勻地包覆在一定尺寸的BC膜塊表面上，菌絲體的網(wǎng)孔較為稀疏，利于溶氧和營養(yǎng)物質傳輸;石墨或GO加入至含固定化白腐真菌的培養(yǎng)液中后，可被迅速吸附在膜塊外表面的真菌菌絲上，并形成“菌絲-石墨-菌絲”或“菌絲-GO-菌絲”的夾心層結構;石墨經(jīng)處理后發(fā)生了部分微氧化，氧化石墨烯經(jīng)處理后含氧基團相對降低，且表面生成了大量的納米級小洞，其中超過3/4的孔洞直徑在200nm以下，表明發(fā)生了生物降解;研究發(fā)現(xiàn)，其作用機理可能源自反應中產(chǎn)生的兩種過氧化

10、物酶的催化循環(huán)。
　　石墨烯模型和生物酶活性中心血紅素的密度泛函理論研究。對石墨烯、氧化石墨烯、血紅素、藜蘆醇及其陽離子自由基等簡化模型進行了基于第一性原理的密度泛函理論研究，采用Gaussian09軟件對各分子模型計算優(yōu)化。結果顯示，小尺寸石墨烯HOMO（最高占據(jù)軌道）集中于邊緣碳原子上，活性較高;氧化石墨烯中環(huán)氧基對構型影響較大，可能會導致缺陷的形成;血紅素分子的催化活性和反應位點位于其中心Fe原子上，藜蘆醇位于芳香環(huán)和甲氧基