[发明专利]一种生物氧化石墨及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化石墨的绿色生物可控制备技术，特别是一种生物氧化石墨及其制备方法。

背景技术

目前，化学氧化法制备氧化石墨烯的方法主要有Staudenmaier、Brodie和Hummers三大方法。其制备的基本原理均为先用强质子酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化，在石墨层间插入大量羧基、羟基、环氧基等含氧基团。化学氧化法制备氧化石墨过程中，排放大量强酸性和强氧化性物质，较难处理，对环境污染较大。此外，化学氧化-还原法制备石墨烯过程易导致缺陷产生（Florian B., Jani K. and Arkady V. K. Structural Defects in Graphene. ACS NANO, 2011, 5(1): 26-41），π-π共轭键被大量破坏，碳骨架在原子层面上产生了明显的晶格扭曲和畸变，丧失了许多优异性能。

因此，化学氧化-还原法制备石墨烯具有不可避免的缺点：化学氧化-还原法制备石墨烯过程中排放大量强酸性及强氧化性物质，容易导致环境污染；化学法制备的石墨烯具有较多结构缺陷，导致其化学、电子、机械等方面优异特性大为降低，严重限制了石墨烯的研究进展和应用领域。

生物氧化法制备氧化石墨相对化学氧化具有明显的优势。首先，在生物氧化过程中不需要加入强酸（浓硫酸）即可把石墨氧化为氧化石墨，反应在微生物适宜的温度、pH等条件下即可进行，在工艺上简单易行，对环境无污染，贯彻了绿色化学的理念；其次，生物氧化法氧化过程温和，得到的氧化石墨含氧比例较低，能够最大程度地保留原石墨的优异性能，减少缺陷的产生。同时，由于生物反应过程易于放大，待生物氧化石墨的可控制备工艺及关键问题解决后，可较快地进行生物氧化法制备氧化石墨的放大试验及生产。

氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans，简称T. f）——1947年，首先由美国人Colmer和Hinkle从矿山酸性废水中分离出的一种极端嗜酸杆菌。嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans，简称A. f）属原核生物界，为无机化能自养菌，杆状，革兰氏阴性。A. f菌在有氧条件下以CO₂为碳源，依靠氧化亚铁、还原性硫化物以及氢来获得能量，供生命活动需要。它广泛存在于土壤、海水、淡水、垃圾、硫磺泉和沉积硫内，尤以金属硫化矿和煤矿等酸性矿坑水中最为常见。由于该菌的特殊生理特性，目前主要应用在生物浸矿、有用金属的回收、生物淋滤、矿物材料的微生物加工、脱除H₂S和SO₂等气体及酸性废水处理等领域。

本发明基于A. f菌具有优良的生物浸矿作用及独特的氧化能力，对天然石墨进行生物氧化，绿色制备低缺陷生物氧化石墨、减少环境污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色低缺陷的生物氧化石墨及其制备方法。

一种生物氧化石墨，相对于化学氧化法制备得到的氧化石墨，具有含氧基团比例较低、缺陷较少、石墨的优异特性得以最大程度保持等结构特点和优点，有利于其开发研究；而化学法制备的氧化石墨中，氧化程度过高，含有大量的含氧基团，容易导致结构缺陷，因而降低了其原本具有的优异性能，大大限制了其应用范围。 

实现本发明的技术解决方案为：一种生物氧化石墨的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将石墨分散到水中，超声分散，形成均匀的石墨混合液；

第二步，将第一步所得石墨混合液加入到氧化亚铁硫杆菌培养基中，灭菌，冷却，接种，于恒温振荡培养箱中培养，进行生物氧化；

第三步，将第二步所得生物氧化石墨静置、离心，采用稀盐酸、水多次反复清洗、离心沉淀，溶解去除氧化过程中生成的矿物及其它离子，至pH中性为止；

第四步，将第三步得到的生物氧化石墨沉淀于水中超声，静置或离心，分别对上清液及沉淀进行真空干燥，得到生物氧化石墨。

本发明一种生物氧化石墨的制备方法，第一步中石墨质量浓度为0.1%-10%，超声时间为20-240 min，超声温度为室温。