[发明专利]一种3D石墨烯/纳米Pd宏观体相材料的生物合成方法

说明书

本发明公开了一种3D石墨烯/纳米Pd宏观体相材料的生物合成方法。该方法步骤如下：(1)将Shewanella.oneidensis MR‑1接种到培养液中培养，获得细胞终浓度为OD₆₀₀＝3‑5的Shewanella.oneidensis MR‑1菌液；(2)将四氯钯酸钠溶于超纯水中得到四氯钯酸钠水溶液；(3)制备氧化石墨烯水溶液；(4)将所述Shewanella.oneidensis MR‑1菌液、四氯钯酸钠水溶液、氧化石墨烯水溶液、氯化钙溶液、氯化镁溶液、乳酸钠混匀，静置1～2天，得到所述3D石墨烯/纳米Pd宏观体相材料。本发明的方法反应条件温和、操作简单、成本低、低碳环保无污染。

技术领域

本发明涉及生物技术制备纳米材料技术领域，具体涉及一种3D石墨烯/纳米Pd宏观体相材料及其合成方法。

背景技术

随着纳米技术的不断发展，结构单一、性质单一的石墨烯材料已经不能满足科学进步的需要，发展更优异性能的石墨烯基功能复合材料逐渐成为必然发展趋势。金属负载，尤其是将贵金属纳米粒子(Au、Pt、Pd、Ag等)与3D石墨烯结构有效结合，扩大它们的协同效应是未来研究3D石墨烯复合材料非常重要的方向。在贵金属家族中，Pd催化剂的应用范围正在不断扩大，特别是在催化领域有着举足轻重的地位。由于3D结构赋予石墨烯材料以大的可及比表面积、大的孔隙率、相互连接的导电网络和特殊的微环境，加之纳米Pd特有的化学、光学、电学特征。因此，3D石墨烯/纳米Pd宏观体相材料在工业催化、环境治理、能量存储与转换以及传感等领域都具有广泛的应用前景。

目前常采用两种模式来实现这种组装，一种是将Pd金属盐作为前驱体通过浸渍-还原法制备的纳米粒子通过共价或非共价作用结合到3D石墨烯表面(Liu et al.,Nanoscale 2016,8(5):2787-2794)；另一种是以Pd金属盐作为前驱体，将其与氧化石墨烯混合，然后通过原位还原组装方式将Pd纳米沉积在3D石墨烯表面(Tang Z et al.,Angewandte Chemie International Edition 2010,122(27):4707-4711)。比较而言，原位还原组装的方法将还原与负载两个过程合二为一，大大简化了合成歩骤，因此受到人们广泛的关注。令人担忧的是，绝大多数GO的脱氧还原或是纳米Pd的制备都需要高温高压处理以及有毒化学还原剂的参与，已经成为石墨烯工业可持续发展的关键瓶颈。因此，发展3D石墨烯/纳米Pd宏观体相材料的“绿色”制备方法仍然是一项重要挑战。

利用生物法代替传统的物理/化学方法已经引起了研究者们的广泛关注。生物合成技术主要着眼于生物相容性，溶剂的非毒性及还原药品的环境友好型这三大方面。相对于其它的合成方法，生物合成优势是无需投加有毒有害的试剂，避免了特殊的反应条件(如温度、压力)。所以，目前微生物系统已成为一种生产低成本、绿色环保的新一代纳米材料的很有发展前景的途经。希瓦氏菌(Shewanella)是一种著名的产电微生物，具有独特的还原性能，可以对纳米材料进行还原修饰。Wang等研究发现Shewanella.oneidensis MR-1能够在有氧条件下还原GO，并且合成的石墨烯具有优异的电电化学特性(Wang GM et al.,NanoResearch 2011,4(6):563-570)。生物制备石墨烯的大门从此开启，将显著推进石墨烯工业的可持续发展。

与此同时，产电微生物Shewanella菌还原合成贵金属纳米材料己被广泛的研究。2005年，De Windt等人通过Shewanella.oneidensis MR-1对Pd(II)的还原，在细胞外壁和周质空间合成了Pd(0)纳米颗粒。研究还发现电子供体会影响所合成Pd纳米颗粒的大小(DeWindt W et al.,Environmental Microbiology 2005,7(3):314-325)。与传统的物理和化学方法相比，利用微生物还原法制备贵金属Pd纳米颗粒，不仅条件温和，能充分利用丰富的微生物资源，纳米颗粒附着在菌体上不易聚集，而且反应过程加入的化学试剂和产生的有毒产物少。因而，微生物已被视为生产纳米Pd粒子的“绿色工厂”。