幾種生物反應(yīng)體系對石墨和氧化石墨烯的作用及機(jī)理研究.pdf

1、近年來，隨著石墨烯等碳材料的廣泛研究和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)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(xué)家已越來越重視石墨烯等新興碳材料對生物的適應(yīng)性及相互作用研究。同時(shí)，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(xué)穩(wěn)定性而使得科學(xué)家對其性能的研究局限于物理、化學(xué)等領(lǐng)域，而忽視了自身帶有缺陷的石墨反應(yīng)活性增強(qiáng)，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(qiáng)的微生物，研究了其生物反應(yīng)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(yīng)機(jī)理，并對石墨烯、生物酶等簡化分子模型進(jìn)行了第一性原理理論研究。相對于化學(xué)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(diǎn)，生物法反應(yīng)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(xué)、儲能材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。具體內(nèi)容如下:
　　氧化亞鐵硫桿菌對石墨的微氧化作用及其機(jī)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(yīng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行生物馴化，獲得對石墨適應(yīng)性強(qiáng)的菌株。在自制的生物反應(yīng)系統(tǒng)（5L玻璃反應(yīng)釜）中，采用馴化后的氧化亞鐵硫桿菌添加石墨進(jìn)行連續(xù)多次生物作用。經(jīng)該生物反應(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)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(jī)理實(shí)驗(yàn)研究表明石墨或氧化石墨烯本身的表面缺陷和細(xì)胞與石墨表面的直接接觸作用是生物侵蝕或氧化的兩個(gè)重要條件。
　　硝化細(xì)菌對石墨的生物微氧化作用研究。以實(shí)驗(yàn)室保藏的硝化細(xì)菌Nitrifying bacteria2011.2在好氧條件下對石墨進(jìn)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(yàn)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(xì)菌生物作用的微氧化石墨氧化程度低、含氧基團(tuán)少;經(jīng)TEM、AFM等分析顯示，經(jīng)硝化細(xì)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(xì)菌對氧化石墨烯的生物還原/同步N摻雜作用研究。以實(shí)驗(yàn)室保藏的反硝化細(xì)菌Denitrifyin

7、g bacteria CFMI-1在厭氧條件（充氮?dú)猓┫聦Ω倪M(jìn)的Hummers法制備的氧化石墨烯進(jìn)行生物還原和同步N摻雜實(shí)驗(yàn)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(xì)菌生物反應(yīng)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(jìn)行;經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，N元素的化學(xué)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)反硝化細(xì)菌胞外分泌物對生物還原和N摻雜起著重要的作用，細(xì)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(xì)菌纖維素(BC)膜塊為固定化載體，對實(shí)驗(yàn)室保藏的白腐真菌CFMI-1進(jìn)行固定化，再以固定化的白腐真菌對石墨和GO進(jìn)行生物作用，并對生物作用后的微氧化石墨和石墨烯進(jìn)行表征。結(jié)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(zhì)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(jié)構(gòu);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(tuán)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(jī)理可能源自反應(yīng)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(jìn)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(jì)算優(yōu)化。結(jié)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(gòu)型影響較大，可能會導(dǎo)致缺陷的形成;血紅素分子的催化活性和反應(yīng)位點(diǎn)位于其中心Fe原子上，藜蘆醇位于芳香環(huán)和甲氧基