一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法。首先將反硝化細(xì)菌接入滅菌后的營養(yǎng)培養(yǎng)基，使反硝化細(xì)菌適量增殖。再將改進(jìn)Hummers法制備的氧化石墨烯在去離子水中超聲分散成懸液，再按一定比例加入到反硝化細(xì)菌的培養(yǎng)基中，酌情補(bǔ)充氮源，在厭氧條件下混合培養(yǎng)。反硝化細(xì)菌在破壞含氧官能團(tuán)同時(shí)在石墨烯中引入氮元素，得到氮摻雜石墨烯粗產(chǎn)物，再通過洗滌、離心、干燥等步驟得到純凈的氮摻雜石墨烯。本法使用反硝化細(xì)菌在溫和條件下進(jìn)行氮摻雜，步驟簡單，控制容易，產(chǎn)物缺陷少，成本低，環(huán)境影響小。
【專利說明】一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，特別是涉及一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法，具體指用反硝化細(xì)菌處理氧化石墨烯進(jìn)行摻氮的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由碳原子相互Sp2雜化排列成的層狀結(jié)構(gòu)，是厚度在納米尺度的二維材料。研究發(fā)現(xiàn)，除卻高機(jī)械強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高比表面積等優(yōu)異性質(zhì)，石墨烯在電磁性質(zhì)方面有著異于常規(guī)材料的突出表現(xiàn)，比如高電子遷移率、低導(dǎo)電率和反常量子霍爾效應(yīng)。這預(yù)示著石墨烯材料在電池電極、超級(jí)電容器、場效應(yīng)晶體管、微型集成電路等方面的應(yīng)用，而氮摻雜是調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料性質(zhì)的重要手段，因此制備氮摻雜石墨烯有重要應(yīng)用意義。
[0003]目前，制備氮摻雜石墨烯的方法主要有化學(xué)氣相沉積法、氨源熱處理氧化石墨烯法、氮等離子放電法、電弧放電法、氨電熱反應(yīng)法、溶劑熱法和含氮前驅(qū)體轉(zhuǎn)換法。盡管如此，氮摻雜石墨烯的制備方法普遍存在著能耗、污染的問題，阻礙了氮摻雜石墨烯的規(guī)模生產(chǎn)。例如，化學(xué)氣相沉積法是利用含碳和氮?dú)怏w前驅(qū)物分解，使其在基底上沉積出薄膜的一類方法，當(dāng)使用甲烷和氨氣分別作為碳源和氮源時(shí)，反應(yīng)溫度需達(dá)到800°C，且需要?dú)錃獾谋Ｗo(hù)，這就使成本急劇上升，不利于氮摻雜石墨烯的大量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的 目的在于以硝酸鹽為氮源，將反硝化細(xì)菌培養(yǎng)基中加入氧化石墨烯，通過微生物代謝將氮引入到石墨烯結(jié)構(gòu)中，并將氧化石墨烯還原，制備出低缺陷的氮摻雜石墨稀。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:以硝酸鹽為氮源，以反硝化細(xì)菌為媒介，通過微生物代謝將氮摻入石墨烯結(jié)構(gòu)，制備出低缺陷的氮摻雜石墨烯。
[0006]具體步驟如下:
第一步，在營養(yǎng)培養(yǎng)基中接入反硝化細(xì)菌靜置恒溫培養(yǎng)l-4d，使反硝化細(xì)菌適量增殖；其中，所述的營養(yǎng)培養(yǎng)基為KNO3 0.2g/L，KH2PO4 1.5g/L,琥珀酸鈉2.81g/L，Na2HPO4.12H20 10.55g/L, MgSO4.7H20 0.lg/L,維氏鹽溶液 2mL/L。
[0007]第二步，在第一步的營養(yǎng)培養(yǎng)基中補(bǔ)充硝酸鹽作為氮源，再加入氧化石墨烯懸液，靜置恒溫培養(yǎng)2天以上；
第三步，傾倒去培養(yǎng)液的上清液，加入稀鹽酸，超聲破碎菌體后洗滌、干燥得純凈氮摻雜石墨烯。
[0008]其中，第一步中所述的營養(yǎng)培養(yǎng)基為KNO3 0.2g/L.，KH2PO4 1.5g/L，琥珀酸鈉2.81g/L, Na2HPO4.12H20 10.55g/L, MgSO4.7H20 0.lg/L，維氏鹽溶液 2mL/L。
[0009]第一步中反硝化細(xì)菌的接種量為5%_20%。
[0010]第二步中所述的氧化石墨烯由改進(jìn)的Hmnmers法制得，其懸液由氧化石墨烯在去離子水中超聲分散得到，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%-5% ;氧化石墨烯懸液與培養(yǎng)基混合的體積比為1:9。
[0011]第二步中氮源是KNO3或NaNO3,每升培養(yǎng)基補(bǔ)充的硝酸鹽為0.01-0.02mol。
[0012]第三步中所述稀鹽酸物質(zhì)的量濃度為0.l_5mol/L。
[0013]第三步中所述的洗滌為:用乙醇洗滌、離心，傾倒上清液除去菌體和雜質(zhì)，再用去離子水洗滌至中性；
所述的乙醇的體積分?jǐn)?shù)為70%-80%，離心轉(zhuǎn)速為8000-12000r/min，離心時(shí)間15_80mino
[0014]第三步中所述的干燥為干燥采用普通真空干燥或真空冷凍干燥，普通真空干燥溫度為25-100°C，干燥時(shí)間2-48h。真空冷凍干燥溫度為_20_ (-80) °C，真空度< 160Pa，干燥時(shí)間為8-10h。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:(1)利用方便易得、生長條件溫和的反硝化細(xì)菌對(duì)石墨烯進(jìn)行摻氮，經(jīng)濟(jì)效益高，適合大規(guī)模生產(chǎn)；(2)反硝化菌摻氮的石墨烯結(jié)構(gòu)缺陷少，最大限度保持了石墨烯的原有優(yōu)異特性；(3)反硝化菌摻氮避免了有害化學(xué)試劑的使用，環(huán)境危害??；(4)反硝化菌摻氮石墨烯顯著提升了石墨烯的血液相溶性，可用于生物器件。
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì) 本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明一種由微生物作用制備的氮摻雜石墨烯和幾種物質(zhì)的X射線光電子能譜對(duì)比圖像(DNMG-1和DNMG-2是實(shí)施例1中微生物混合培養(yǎng)3d和5d所得的氮摻雜石墨烯、CG是石墨烯、CGO是化學(xué)還原法制備的石墨烯)
圖2是本發(fā)明一種由微生物作用制備的氮摻雜石墨烯的場發(fā)射掃描電鏡圖像(a)和All Euler Orientaion Mapping 圖像(b, c, d)。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明。
[0019]本發(fā)明一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯，由以下制備方法得到:
第一步，配制營養(yǎng)培養(yǎng)基，滅菌、冷卻，在培養(yǎng)基中接入反硝化細(xì)菌靜置恒溫培養(yǎng)l-4d，使反硝化細(xì)菌適量增殖。
[0020]第二步，將氧化石墨烯于去離水中超聲分散得氧化石墨烯懸液，在第一步的營養(yǎng)培養(yǎng)基中補(bǔ)充KNO3作為氮源，再加入氧化石墨烯懸液，靜止恒溫培養(yǎng)2天以上。
[0021]第三步，傾倒去培養(yǎng)基的上清液，離心，沉淀為氮摻雜石墨烯粗產(chǎn)物，加入稀鹽酸，超聲破碎菌體，再用乙醇洗滌除去雜質(zhì)，用去離子水洗滌產(chǎn)物至中性，干燥得純凈氮摻雜石墨稀。
[0022]本發(fā)明的反硝化細(xì)菌菌種源自南京理工大學(xué)校內(nèi)河流，經(jīng)過本課題組馴化培養(yǎng)分離得到的純種。
[0023]實(shí)施例1
步驟一:摻氮。[0024]配制反硝化細(xì)菌培養(yǎng)基200mL(KN03 0.2g/L, KH2PO4 1.5g/L，琥珀酸鈉 2.81g/L，Na2HPO4*12H20 10.55g/L，MgSO4.7Η20 0.lg/L，維氏鹽溶液 2mL/L)，以 1:9 (v/v)的稀硫酸調(diào)至pH至7.0。用高壓滅菌鍋121°C，蒸汽壓為0.1MPa，滅菌30分鐘，培養(yǎng)基冷卻后在超凈工作臺(tái)中接種10%反硝化細(xì)菌種子液，30°C恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4d后，補(bǔ)充KNO3 0.12g。將菌液分裝至2個(gè)500mL的三角瓶，每瓶的裝量IOOmL,通入20min的N2除去溶解氧。最后加入2%的氧化石墨烯懸液25mL后將瓶口進(jìn)行密封，在30°C恒溫箱中靜止厭氧分別培養(yǎng)3d和5d，進(jìn)行生物摻氮。
[0025]步驟二:純化。
[0026]將第一步培養(yǎng)基靜置，傾去上清液，10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min，收集沉淀；向沉淀中加入lmol/L稀鹽酸IOOmL,攪拌均勻，室溫下超聲lOmin，靜置Ih ;以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min，傾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀，攪拌均勻，室溫下靜止lh，1000Or/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液，最后用去離子水洗到中性；將沉淀置于真空冷凍干燥箱中，_50°C，真空度< 160Pa，干燥時(shí)間為48h，得到純凈的氮摻雜石墨烯。
[0027]步驟三:表征。
[0028]對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行X射線光電子能譜測試，并與化學(xué)還原的石墨烯比較，如圖1所示。反硝化菌摻氮的石墨烯與化學(xué)還原所得的石墨烯對(duì)比，在400 eV多出N(Is)峰，說明反硝化菌將氮引入石墨烯結(jié)構(gòu)。
[0029]對(duì)得到的摻雜石墨烯作場發(fā)射掃描電鏡和all euler orientaion mapping觀察，如圖2所示，可以看到摻雜石墨烯中氮元素的分布，其數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多余殘余的氧元素。
[0030]實(shí)施例2
本發(fā)明一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法，包括以下步驟:
在IL三角瓶中加入IOOmL 2%的氧化石墨烯，在250W的超聲波清洗機(jī)中，于室溫下超聲處理lOmin，得氧化石墨烯棕色懸液；配制反硝化細(xì)菌培養(yǎng)基200mL (培養(yǎng)基中包括KNO3
0.36g/L, KH2PO4 1.5g/L，琥珀酸鈉 2.81g/L, Na2HPO4.Iffi2O 10.55g/L, MgSO4.7H20 0.lg/L，維氏鹽溶液2mL/L。)，以1:9 (v/v)稀硫酸調(diào)pH至7.0。用高壓滅菌鍋121°C，蒸汽壓為0.1MPa，滅菌30分鐘。將冷卻的培養(yǎng)基在超凈工作臺(tái)中接種5%反硝化細(xì)菌種子液，最后25°C恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2d，后補(bǔ)充KNO3 0.lg，分裝至4個(gè)250mL的三角瓶，每瓶的培養(yǎng)基裝量50mL，每瓶氧化石墨烯的裝量為25mL，每瓶通入20min的N2,以除去溶解氧。將瓶口密封，防止氧氣進(jìn)入，在25°C恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)2d。將摻氮完畢的培養(yǎng)基靜置，10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min,向獲得的混合物沉淀中加入lmol/L稀鹽酸IOOmL,攪拌均勻，室溫下超聲IOmin,靜置Ih ;以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min,傾去上清液,用80%乙醇溶液清洗沉淀，攪拌均勻，室溫下靜止lh, 10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液,最后用去離子水洗到中性。將沉淀置于真空冷凍箱中，_50°C，真空度< 160Pa，干燥時(shí)間為48h，得到純凈的摻氮石墨烯。
[0031]實(shí)施例3
本發(fā)明一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法，包括以下步驟:
在IL三角瓶中加入200mL 3%的氧化石墨烯，在250W的超聲波清洗機(jī)中，于室溫下超聲處理lOmin，得氧化石墨烯棕色懸液；配制反硝化細(xì)菌培養(yǎng)基400mL (培養(yǎng)基中包括KNO3
0.36g/L, KH2PO4 1.5g/L，琥珀酸鈉 2.81g/L, Na2HPO4.Iffi2O 10.55g/L, MgSO4.7H20 0.lg/L，維氏鹽溶液2mL/L。)，以1:9 (v/v)的稀硫酸調(diào)至pH至7.0。用高壓滅菌鍋121 °C，蒸汽壓為0.1MPa，滅菌30分鐘。將冷卻的培養(yǎng)基在超凈工作臺(tái)中接種10%反硝化細(xì)菌種子液，最后25°C恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4d，后補(bǔ)充KNO3 0.08g,生長4d的反硝化菌液分裝至4個(gè)500mL的三角瓶，每瓶培養(yǎng)基的裝量IOOmL,氧化石墨烯懸液的裝量為50mL，通入20min的N2，以除去溶解氧。將瓶口密封，防止氧氣進(jìn)入，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)4d，25°C。將摻氮完畢的培養(yǎng)基靜置，10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min，向獲得的混合物沉淀中加入lmol/L稀鹽酸IOOmL,攪拌均勻，室溫下超聲IOmin,靜置Ih ;以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min,傾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀,攪拌均勻，室溫下靜止lh, 8000r/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液，最后用去離子水洗到中性為止，將沉淀置于真空冷凍箱中，-50 0C，真空度< 160Pa，干燥時(shí)間為48h，得到純凈的氮摻雜石墨烯。
[0032] 實(shí)施例4
本發(fā)明一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法，包括以下步驟:
在IL三角瓶中加入IOOmL 2%的氧化石墨烯，在250W的超聲波清洗機(jī)中，于室溫下超聲處理lOmin，得氧化石墨烯棕色懸液；配制反硝化細(xì)菌培養(yǎng)基400mL (培養(yǎng)基中包括KNO3
0.36g/L, KH2PO4 1.5g/L，琥珀酸鈉 2.81g/L, Na2HPO4.Iffi2O 10.55g/L, MgSO4.7H20 0.lg/L，維氏鹽溶液2mL/L。)，以1:9 (v/v)的稀硫酸調(diào)至pH至7.0。用高壓滅菌鍋121 °C，蒸汽壓為0.1MPa,滅菌30分鐘。將冷卻的培養(yǎng)基在超凈工作臺(tái)中接種5%反硝化細(xì)菌種子液，最后25°C恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2d，后補(bǔ)充KNO3 0.1g,分裝至2個(gè)IL的三角瓶，每瓶培養(yǎng)基的裝量200mL，每瓶氧化石墨烯的裝量為50mL，每瓶通入20min的N2,以除去溶解氧。將瓶口進(jìn)行密封，防止氧氣進(jìn)入，在恒溫箱中靜止厭氧培養(yǎng)2d，250C，進(jìn)行生物還原。將摻氮完畢的培養(yǎng)基靜置，100 00r/min轉(zhuǎn)速離心30min，向獲得的混合物沉淀中加入lmol/L稀鹽酸IOOmL,攪拌均勻，室溫下超聲IOmin,靜置Ih ;以10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min,傾去上清液，用80%乙醇溶液清洗沉淀,攪拌均勻，室溫下靜止lh, 10000r/min轉(zhuǎn)速離心30min傾去上清液，最后用去離子水洗到中性為止，將沉淀置于真空冷凍箱中，-50 0C，真空度< 160Pa，干燥時(shí)間為48h，得到純凈的摻氮石墨烯。
【權(quán)利要求】
1.一種由微生物作用制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于具體步驟如下: 第一步，在營養(yǎng)培養(yǎng)基中接入反硝化細(xì)菌靜置恒溫培養(yǎng)l-4d，使反硝化細(xì)菌適量增殖；其中，所述的營養(yǎng)培養(yǎng)基為KNO3, KH2PO4,琥珀酸鈉，Na2HPO4.12H20，MgSO4.7H20，維氏鹽溶液，pH為6.5-7.5 ； 第二步，在第一步的營養(yǎng)培養(yǎng)基中補(bǔ)充硝酸鹽作為氮源，再加入氧化石墨烯懸液，靜置恒溫培養(yǎng)2天以上； 第三步，傾倒去培養(yǎng)液的上清液，加入稀鹽酸，超聲破碎菌體后洗滌、干燥得純凈氮摻雜石墨烯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:第一步中所述的營養(yǎng)培養(yǎng)基為 KNO3 0.2g/L, KH2PO4 1.5g/L,琥珀酸鈉 2.81g/L, Na2HPO4.12H20 10.55g/L,MgSO4.7H20 0.lg/L,維氏鹽溶液 2mL/L。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:第一步中反硝化細(xì)菌的接種量為5%-20%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:第二步中所述的氧化石墨烯由改進(jìn)的Hummers法制得，其懸液由氧化石墨烯在去離子水中超聲分散得到，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%-5% ;氧化石墨烯懸液與培養(yǎng)基混合的體積比為1:9。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:第二步中氮源是KNO3或NaNO3,每升培養(yǎng)基補(bǔ)充的硝酸鹽為0.01-0.02mol。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:第三步中所述稀鹽酸物質(zhì)的量濃度為0.l-5mol/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:第三步中所述的洗滌為:用乙醇洗滌、離心,傾倒上清液除去菌體和雜質(zhì),再用去離子水洗滌至中性； 所述的乙醇的體積分?jǐn)?shù)為70%-80%，離心轉(zhuǎn)速為8000-12000r/min，離心時(shí)間15_80mino
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備氮摻雜石墨烯的方法，其特征在于:第三步中所述的干燥為普通真空干燥或真空冷凍干燥，普通真空干燥溫度為25-100°C，干燥時(shí)間2-48h，真空冷凍干燥溫度為-20- (-80) °C，真空度< 160Pa，干燥時(shí)間為8-10h。
【文檔編號(hào)】C01B31/04GK103803541SQ201410060866
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】孫東平, 朱春林, 楊加志, 范孟孟, 黃洋, 劉林, 陳春濤, 吳琪露 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)