本發(fā)明涉及石墨烯，特別是涉及石墨烯水凝膠的制備方法。

背景技術(shù)：

自2004年二維材料石墨烯被單獨(dú)剝離以后，石墨烯作為史上最薄、最強(qiáng)韌、電子遷移率極高的新材料，引起人們極大關(guān)注。石墨烯的每個(gè)碳原子均為sp²雜化，通過(guò)sp²雜化的碳原子相互連接而成的單分子蜂窩狀片層結(jié)構(gòu)，使其具有極高的比表面積，可以負(fù)載各種分子；并且每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)剩余一個(gè)p軌道電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予了石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性，同時(shí)石墨烯還具有優(yōu)異的力學(xué)性能和熱學(xué)性能，因此石墨烯在超級(jí)電容器、電池、顯示器、超輕飛機(jī)材料、防彈衣、生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

但是，二維石墨烯片層之間很強(qiáng)的π-π相互作用，容易促使二維石墨烯層片團(tuán)聚和堆疊，造成材料性能下降。反之，將單片的二維石墨烯連接起來(lái)形成三維結(jié)構(gòu)，會(huì)使石墨烯的性質(zhì)更加穩(wěn)定，而三維石墨烯也更有利于改性，與其他材料結(jié)合形成用途更加廣泛的新型復(fù)合材料，如三維石墨烯水凝膠。一般的，水凝膠是通過(guò)單個(gè)聚合物鏈的物理或化學(xué)交聯(lián)形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)，能大量吸水且在水中不溶解。水凝膠這種兼有固體和液體雙重特性的性質(zhì)使之在藥物負(fù)載與釋放、高吸水樹(shù)脂、污染物吸附、傳感等領(lǐng)域有著日益重要的應(yīng)用，石墨烯水凝膠也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)(胡小紅，馬小涵，多亞如，張新燕，劉天宇，趙堯，蔡超杰.一種氧化石墨烯復(fù)合水凝膠藥物載體[P].中國(guó)，2013：CN103272239A)。

目前，制備石墨烯的方法有：機(jī)械剝離法、氣相沉積法、切割碳納米管法和氧化還原法等，其中，氧化還原法產(chǎn)率較高，適合規(guī)?；a(chǎn)，是目前制備石墨烯最常用的方法。

氧化石墨烯除了含有石墨烯的碳原子苯環(huán)結(jié)構(gòu)以外，邊緣和內(nèi)部還含有豐富的大量的環(huán)氧基、羧基、羰基、羥基等含氧基團(tuán)，是石墨烯結(jié)構(gòu)的一種重要的先驅(qū)，本身也是一類二維石墨烯的衍生物，對(duì)其官能團(tuán)進(jìn)行改性也使氧化石墨烯的性質(zhì)變得多樣。將氧化石墨烯還原為石墨烯通常需要使用有毒的還原劑如肼，或者采用高溫等苛刻的反應(yīng)條件，尋求綠色、安全、高效、低能耗的制備方法成為石墨烯類新材料大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵(張素玲，杜卓，李攻科.氧化石墨與石墨烯的制備及其在樣品前處理中的應(yīng)用[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2012，31(9):1178-1183)。

盡管石墨烯材料廣受重視，關(guān)于石墨烯和微生物相互作用關(guān)系的研究卻很少，利用微生物還原氧化石墨烯制備石墨烯以及將微生物和石墨烯制成復(fù)合材料更是鮮有報(bào)道，一些研究甚至表明特定情況下石墨烯對(duì)微生物有抑制殺滅效果(盧小菊，李少珍，孟鴛，陳順生，楊翔宇，劉俊明.聚氨基酯-氧化石墨烯抗菌水凝膠及其制備方法[P].中國(guó)，2016：CN105348793A)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種石墨烯水凝膠的制備方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)制備氧化石墨烯懸浮液；

在步驟1)中，所述制備氧化石墨烯懸浮液的具體方法可為：將鱗片石墨與KMnO₄混合，再加入硫酸和磷酸的混合酸溶液，反應(yīng)后在水浴鍋內(nèi)恒溫加熱，待混合液冷卻至室溫后，倒入含過(guò)氧化氫溶液的冰水中，當(dāng)溶液由綠褐色變?yōu)榻瘘S色后，依次用鹽酸、乙醇和去離子水洗滌，直至氧化石墨烯懸浮液無(wú)法離心后用乙醚凝固，再用去離子水洗至pH為中性，超聲形成氧化石墨烯懸浮液；

所述鱗片石墨可采用300目的鱗片石墨；所述鱗片石墨、KMnO₄、硫酸、磷酸、含過(guò)氧化氫溶液的冰水、乙醚的配比可為3.0g︰18.0g︰360mL︰40mL︰400mL︰200mL，其中，鱗片石墨、KMnO₄以質(zhì)量計(jì)算，硫酸、磷酸、含過(guò)氧化氫溶液的冰水、乙醚以體積計(jì)算，所述硫酸可采用質(zhì)量百分濃度為98％的硫酸，所述含過(guò)氧化氫溶液的冰水中，可采用3mL過(guò)氧化氫溶液，過(guò)氧化氫溶液的質(zhì)量百分濃度可為30％；所述反應(yīng)的溫度可為35～40℃；所述在水浴鍋內(nèi)恒溫加熱的溫度可為50℃，恒溫加熱的時(shí)間可為12h；所述依次用鹽酸、乙醇和去離子水洗滌可依次用鹽酸洗滌3～5次、乙醇洗滌2～3次、去離子水洗滌8～20次；所述超聲的條件可為400W超聲4h；所述氧化石墨烯懸浮液的分散濃度可為7～9g/L。

2)菌種的選擇和預(yù)培養(yǎng)；

在步驟2)中，所述菌種可選自市售希瓦氏菌、市售地桿菌等中的一種，也可采用自然水體(如海水、湖水)中的混菌或污水處理廠活性污泥馴化后的菌種；所述市售希瓦氏菌(Shewanella putrefaciens)可購(gòu)自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，保存號(hào)：1.6515；所述市售地桿菌(Geobacter sulfurreducens Caccavo et al.ATCC 51573)可購(gòu)自北京中原公司；所述市售希瓦氏菌、市售地桿菌可好氧活化培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期后期使用，純菌的培養(yǎng)方式為普通培養(yǎng)基(LB、TSB等)搖床培養(yǎng)10～14h。

3)配制培養(yǎng)液；

在步驟3)中，所述培養(yǎng)液的配方包括碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、SL 10微量元素和維生素溶液；所述無(wú)機(jī)鹽包括NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂·6H₂O、KH₂PO₄、NaHCO₃、NaSO₄；

所述培養(yǎng)液的最優(yōu)配方可為(g/L)：NH₄Cl 0.1～1，NaCl 0.5～2，KCl 0.1～1，CaCl₂ 0.05～0.2，MgCl₂·6H₂O 0.05～0.2，KH₂PO₄ 0.1～0.5，NaHCO₃ 1～5，NaSO₄ 0.05～0.2，CH₃COONa 0.5～2，SL 10微量元素0.5～2mL，維生素溶液5～15mL，溶劑為去離子水；

所述碳源除CH₃COONa也可使用微生物常用的有機(jī)碳源，所述有機(jī)碳源可選自碳源糖類、揮發(fā)性有機(jī)酸、甲醇等厭氧培養(yǎng)常見(jiàn)有機(jī)碳源，所述碳源糖類可采用葡萄糖等，所述揮發(fā)性有機(jī)酸可采用丙酸或丁酸等；

所述氮源除NH₄Cl也可使用(NH₄)₂SO₄、蛋白胨等常見(jiàn)氮源；

所述SL 10微量元素的組成可為(g/L)：FeCl₂·4H₂O 0.5～2.5，CoCl₂·6H₂O 0.1～0.3，MnCl₄·4H₂O 0.05～0.2，ZnCl₂ 0.02～0.1，H₃BO₃ 0.01～0.1，Na₂MoO₄·2H₂O 0.01～0.05，NiCl₆·H₂O 0.01～0.05，CuCl₂·2H₂O 0.005～0.05，另加入25％HCl 0～20mL調(diào)節(jié)溶液pH為7，溶劑為去離子水；

所述維生素溶液的組成可為(mg/L)：生物素0.01～0.1，葉酸0.005～0.05，吡哆醇0.05～0.5，核黃素0.01～0.1，硫胺素0.05～0.2，維生素b12 0.5～0.2，煙酰胺0.1～1，對(duì)氨基苯甲酸0.1～1，硫辛酸0.01～0.1，泛酸0.01～0.1，溶劑為去離子水。

所述無(wú)機(jī)鹽中KH₂PO₄可使用K₂HPO₄代替，NaSO₄可使用FeSO₄·7H₂O、KSO₄、FeS代替。

4)培養(yǎng)液除氧滅菌；

在步驟4)中，所述培養(yǎng)液除氧滅菌的具體方法可為：在每個(gè)125mL的血清瓶中加入80mL培養(yǎng)液，然后通入含質(zhì)量百分比為80％的N₂和質(zhì)量百分比為20％的CO₂混合氣，在液面下曝氣25min、加塞液面下曝氣20min、加塞液面上曝氣15min，使培養(yǎng)液脫除氧氣，隨后血清瓶扣上鋁蓋在121℃下高壓蒸汽滅菌20min。

5)添加氧化石墨烯懸浮液；

在步驟5)中，所述添加氧化石墨烯懸浮液的具體方法可為：將步驟1)所得氧化石墨烯懸浮液在紫外燈照射下滅菌2h，用5mL注射器在含質(zhì)量百分比為80％的N₂和質(zhì)量百分比為20％的CO₂混合氣管中反復(fù)抽空至少1次，排除注射器中的氧氣，然后向經(jīng)步驟4)處理后的血清瓶培養(yǎng)液中注入3～5mL氧化石墨烯分散液，混勻。

6)菌種的接種；

在步驟6)中，所述菌種的接種的具體方法可為：將注射器在超凈臺(tái)紫外燈下照射20min，然后將步驟2)所得菌液取出，按體積比1︰10往步驟5)所得血清瓶中注射8mL菌液，混勻。

7)石墨烯水凝膠的形成。

在步驟7)中，所述凝膠的形成的具體方法可為：步驟6)所得厭氧血清瓶放入20～40℃的培養(yǎng)箱中密封靜置培養(yǎng)，培養(yǎng)10天后形成石墨烯水凝膠。

氧化石墨烯被還原，由棕黃色溶液變?yōu)楹谏芤海浔砻姘l(fā)生皺褶卷曲、逐漸團(tuán)聚，將菌體緊緊包裹其中，細(xì)菌將還原后的氧化石墨烯作為附著點(diǎn)繁殖生長(zhǎng)，最后得到豆腐狀黑色石墨烯水凝膠。本發(fā)明的工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件較溫和，并且省略了現(xiàn)有技術(shù)中常用的有毒有害的還原劑，原料易得，成本低廉，適合低成本、大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。不使用有毒試劑，簡(jiǎn)單易行，使活菌與氧化石墨烯的相互作用成為了可能，制備的水凝膠可以作為一種新型復(fù)合材料推向市場(chǎng)。本發(fā)明制備的石墨烯水凝膠，呈豆腐狀黑色含水復(fù)合物，包含了微生物和被還原后的氧化石墨烯。

本發(fā)明得到的石墨烯水凝膠，包含有液體培養(yǎng)基、微生物、還原性氧化石墨烯，其中微生物可以是混菌如活性污泥、天然水體中的細(xì)菌，也可以是純菌如希瓦氏菌、地桿菌等，還原性氧化石墨烯是由微生物的還原作用將氧化石墨烯部分或全部還原而成。該水凝膠保留氧化石墨烯的兩親性，能很好應(yīng)用于水相中，同時(shí)通過(guò)石墨烯的包裹作用使菌體在水體中的抗負(fù)荷能力增加，是一種活菌與石墨烯的復(fù)合物。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例2制得水凝膠的電鏡圖，微生物附著在石墨烯層片上。

圖2是實(shí)施例2制得水凝膠的電鏡圖，微生物與石墨烯形成復(fù)合物。

圖3是實(shí)施例2氧化石墨烯成膠前后的XRD圖，GO：反應(yīng)前氧化石墨烯，Lake-rGO：經(jīng)湖水微生物還原后的氧化石墨烯。

圖4是實(shí)施例2氧化石墨烯成膠前后的FTIR圖，GO：反應(yīng)前氧化石墨烯，Lake-rGO：經(jīng)湖水微生物還原后的氧化石墨烯。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例將結(jié)合附圖來(lái)進(jìn)一步具體說(shuō)明本發(fā)明。

實(shí)施例1:

一種利用希瓦氏菌制備石墨烯水凝膠的過(guò)程。包括如下步驟：

將希瓦氏菌菌種(腐敗希瓦氏菌Shewanella putrefaciens，購(gòu)于中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，保存號(hào)：1.6515)在LB平板上進(jìn)行活化培養(yǎng)后再接入LB液體培養(yǎng)基進(jìn)行活化，進(jìn)入生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期。

將培養(yǎng)液按照表1進(jìn)行配制后(微量元素溶液和維生素溶液配方分別見(jiàn)表2和3)，調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH為7，分裝至血清瓶進(jìn)行曝氣除氧，除氧后進(jìn)行高溫高壓滅菌。

將300目的高純鱗片石墨3.0g與18.0g KMnO₄混合，同時(shí)加入含360mL 98％濃硫酸和40mL磷酸的混合酸溶液，攪拌，控制反應(yīng)放熱為37℃，隨后在50℃的水浴鍋里恒溫加熱攪拌12h。

待混合液冷卻至室溫后，將混合液倒入400mL含3mL 30％過(guò)氧化氫溶液的冰水中。

溶液由綠褐色變?yōu)榻瘘S色后，用稀鹽酸洗滌3次、乙醇洗滌2次、去離子水洗滌10次，直至氧化石墨烯懸浮液無(wú)法離心后用200mL乙醚凝固，凝固后再用去離子水洗4次至pH為7，在400W超聲4h形成氧化石墨烯懸浮液，分散濃度為8.38g/L。

根據(jù)制作的氧化石墨烯懸浮液濃度，加入合適體積的氧化石墨烯懸浮液進(jìn)入培養(yǎng)基，控制氧化石墨烯在培養(yǎng)基的濃度為0.37g/L。按照體積比1:10將8mL希瓦氏菌菌液加入培養(yǎng)基中，混勻。

放入28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10天，石墨烯水凝膠成型。

表1培養(yǎng)基成份

表2微量元素成分

表3維生素成份

實(shí)施例2:一種利用湖水中混菌制備得到的石墨烯水凝膠。

采用實(shí)施例1的制備方法，不同之處在于接種微生物是市售地桿菌(Geobacter sulfurreducens Caccavo et al.ATCC 51573)可購(gòu)自北京中原公司，在37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10天，形成石墨烯水凝膠。

凝膠的電鏡圖片顯示微生物附著在石墨烯層片上(圖1)，其表面發(fā)生皺褶卷曲、逐漸團(tuán)聚，將菌體緊緊包裹其中，細(xì)菌將還原后氧化石墨烯作為附著點(diǎn)繁殖生長(zhǎng)，形成石墨烯的復(fù)合物(圖2)。將水凝膠經(jīng)過(guò)超聲破碎后，經(jīng)稀鹽酸、乙醇洗滌，再用去離子水洗兩遍，放入-80℃冰箱冷凍后進(jìn)行冷凍干燥，隨后進(jìn)行除去微生物的凝膠表征，通過(guò)XRD表征(圖3)證明，還原后氧化石墨烯10°左右的出峰消失，通過(guò)FTIR譜圖(圖4)證明含氧官能團(tuán)的消失，所以氧化石墨烯在形成凝膠的過(guò)程中被微生物部分還原。