[发明专利]一种由微生物作用制备氮掺杂石墨烯的方法

说明书

技术领域

    本发明涉及半导体材料领域，特别是涉及一种由微生物作用制备氮掺杂石墨烯的方法，具体指用反硝化细菌处理氧化石墨烯进行掺氮的方法。

背景技术

    石墨烯是由碳原子相互sp²杂化排列成的层状结构，是厚度在纳米尺度的二维材料。研究发现，除却高机械强度、高热导率、高比表面积等优异性质，石墨烯在电磁性质方面有着异于常规材料的突出表现，比如高电子迁移率、低导电率和反常量子霍尔效应。这预示着石墨烯材料在电池电极、超级电容器、场效应晶体管、微型集成电路等方面的应用，而氮掺杂是调节半导体材料性质的重要手段，因此制备氮掺杂石墨烯有重要应用意义。

    目前，制备氮掺杂石墨烯的方法主要有化学气相沉积法、氨源热处理氧化石墨烯法、氮等离子放电法、电弧放电法、氨电热反应法、溶剂热法和含氮前驱体转换法。尽管如此，氮掺杂石墨烯的制备方法普遍存在着能耗、污染的问题，阻碍了氮掺杂石墨烯的规模生产。例如，化学气相沉积法是利用含碳和氮气体前驱物分解，使其在基底上沉积出薄膜的一类方法，当使用甲烷和氨气分别作为碳源和氮源时，反应温度需达到800℃，且需要氢气的保护，这就使成本急剧上升，不利于氮掺杂石墨烯的大量生产。

发明内容

    本发明的目的在于以硝酸盐为氮源，将反硝化细菌培养基中加入氧化石墨烯，通过微生物代谢将氮引入到石墨烯结构中，并将氧化石墨烯还原，制备出低缺陷的氮掺杂石墨烯。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种由微生物作用制备氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于：以硝酸盐为氮源，以反硝化细菌为媒介，通过微生物代谢将氮掺入石墨烯结构，制备出低缺陷的氮掺杂石墨烯。

具体步骤如下：

第一步，在营养培养基中接入反硝化细菌静置恒温培养1-4d，使反硝化细菌适量增殖；其中，所述的营养培养基为 KNO₃ 0.2g/L, KH₂PO₄ 1.5g/L, 琥珀酸钠 2.81g/L, Na₂HPO₄·12H₂O 10.55g/L, MgSO₄·7H₂O 0.1g/L, 维氏盐溶液2mL/L。

第二步，在第一步的营养培养基中补充硝酸盐作为氮源，再加入氧化石墨烯悬液，静置恒温培养2天以上；

第三步，倾倒去培养液的上清液，加入稀盐酸，超声破碎菌体后洗涤、干燥得纯净氮掺杂石墨烯。

其中，第一步中所述的营养培养基为 KNO₃ 0.2g/L.，KH₂PO₄ 1.5g/L，琥珀酸钠 2.81g/L，Na₂HPO₄·12H₂O 10.55g/L，MgSO₄·7H₂O 0.1g/L，维氏盐溶液2mL/L。

第一步中反硝化细菌的接种量为5%-20%。

第二步中所述的氧化石墨烯由改进的Hummers法制得，其悬液由氧化石墨烯在去离子水中超声分散得到，质量分数0.5%-5%；氧化石墨烯悬液与培养基混合的体积比为1:9。

第二步中氮源是KNO₃或NaNO₃，每升培养基补充的硝酸盐为0.01-0.02mol。

第三步中所述稀盐酸物质的量浓度为0.1-5mol/L。

第三步中所述的洗涤为：用乙醇洗涤、离心，倾倒上清液除去菌体和杂质，再用去离子水洗涤至中性；

所述的乙醇的体积分数为70%-80%，离心转速为8000-12000r/min，离心时间15-80min。

第三步中所述的干燥为干燥采用普通真空干燥或真空冷冻干燥，普通真空干燥温度为25-100℃，干燥时间2-48h。真空冷冻干燥温度为-20-（-80）℃，真空度≤160Pa，干燥时间为8-10h。

    本发明与现有技术相比，其显著优点是：（1）利用方便易得、生长条件温和的反硝化细菌对石墨烯进行掺氮，经济效益高，适合大规模生产；（2）反硝化菌掺氮的石墨烯结构缺陷少，最大限度保持了石墨烯的原有优异特性；（3）反硝化菌掺氮避免了有害化学试剂的使用，环境危害小；（4）反硝化菌掺氮石墨烯显著提升了石墨烯的血液相溶性，可用于生物器件。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。