[发明专利]一种生物还原制备氮硫同时掺杂石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮、硫同时掺杂的石墨烯的制备方法，属于石墨烯的合成和纳米材料技术领域，具体是一种基于硫酸盐还原菌(SRB)还原制备石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种独特的二维平面结构单层碳纳米材料，碳原子之间以共价键连结形成六方蜂巢结构。石墨烯的这一独特的结构特点使其具有良好的电学、力学和热学性质，近年来在微电子，新型超导材料、能量储存、传感器以及电催化等方面具有广阔的应用前景。而同时围绕石墨烯的基础与应用研究也在世界范围内如火如荼的展开了。

石墨烯制备方法的研究是其基础与应用研究的前提。目前文献报道的主要有机械剥离、外延生长、化学气相沉积和化学还原法。这些方法各有优势，同时也有各自的缺点。前三种方法因生产成本高、操作工艺复杂、实验条件苛刻而难以应用到石墨烯的大规模生产中。相比较而言，化学还原氧化石墨烯法是当前大规模制备石墨烯的常用方法。然而因广泛采用水合肼、二甲基肼、多巴胺、硼氢化钠等有毒还原剂，在一定程度会造成环境污染、危害健康，因此探索出一种简单、经济、绿色环保的还原工艺和方法是一个亟待解决的问题。

硫酸盐还原菌是一类形态各异、营养类型多样、能利用硫酸盐或者其它氧化态硫化物作为电子受体来异化有机物质的微生物。广泛存在于土壤、水田、湖、沼、河川底泥、海底泥、石油矿床、温泉水和地热地区，甚至于存在人体的口腔和肠道中。在富含硫酸盐的有水厌氧环境中，硫酸盐还原菌是相当活跃的分子，它以硫酸盐做最终电子受体，分解水体中的有机物，获得合成细胞物质和维持生命所需的能量。硫酸盐作为硫酸盐还原菌代谢过程中的最终电子受体，将还原成硫离子，它首先在细胞体外积累，然后进入细胞，在细胞内，第一步反应是SO₄^2-的活化，即SO₄^2-与ATP反应转化为腺苷酰硫酸(APS)和焦磷酸(PPi)，PPi很快分解为无机磷酸(Pi)，推动反应不断向左进行。APS继续分解成亚硫酸盐和磷酸腺苷(AMP)。亚硫酸盐脱水后变成偏亚硫酸盐(S₂O₅^2-)，S₂O₅^2-极不稳定，很快转化为中间产物连二亚硫酸盐(S₂O₄^2-)，S₂O₄^2-又迅速转化为S₃O₆^2-，S₃O₆^2-分解成硫代硫酸盐(S₂O₃^2-)和亚硫酸盐(SO₃^2-)，S₂O₃^2-又经自身的氧化还原作用，变成SO₃^2-和最终产物S^2-，S^2-被排出体外，进入周围环境。有关反应方程如下：

硫酸盐还原菌的生物还原作用是本发明的关键，即利用细菌生物还原酶的作用，在自然温和的条件下还原制备石墨烯。此外，由于生物体本身还有氮、磷等各种微量元素，因此在石墨烯的元素掺杂方面可能存在更多的惊喜。

发明内容

为解决上述石墨烯制备过程中出现的各种技术缺陷，本发明旨在提供一种生物催化还原氧化石墨烯，得到氮、硫同时掺杂石墨烯的方法。本方法简单、经济、绿色环保。

实现本发明的技术方案是：

本发明提供的生物还原制备氮硫同时掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯分散在水中，浓度为0.05mg/ml～0.5mg/ml；

(2)将硫酸盐还原菌(SRB)进行活化培养；

(3)硫酸盐还原菌(SRB)培养基采用高压蒸汽灭菌；

(4)将上述三个步骤分别得到的三种溶液混合密封，保证不存在空气，在37℃恒温培养箱中培养5～7天；

(5)离心过滤和反复洗涤后即得到氮、硫掺杂的石墨烯。

上述方法中，硫酸盐还原菌(SRB)菌液与硫酸盐还原菌(SRB)培养基的体积比例为1∶1～1∶5；硫酸盐还原菌(SRB)菌液与氧化石墨烯的体积比例为1∶2～1∶10。