[发明专利]一种双模板生物催化还原制备石墨烯的方法

说明书

技术领域

本发明属于石墨烯制备领域，具体涉及一种双模板生物催化还原制备石墨烯的新 方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以正六边形组成的蜂窝状单层二维片层状晶体材料，其中碳原子以六元环周期性地紧密堆积排列于石墨烯平面内，而且每个碳原子是通过键与临近的三个碳原子相连，S，Px和Py三个杂化轨道组成sp2杂化结构，具有120℃的键角，这就赋予石墨烯极高的力学特性。剩余的Pz轨道的电子在与平面垂直的方向形成轨道，此电子可以在石墨烯晶体平面内自由移动，从而石墨烯具有良好的导电性。同时，石墨烯中的各个碳原子之间的连接非常柔软，一旦外界施加机械力时碳原子面就弯曲变形，从而使得石墨烯没有必要将其中碳原子重新排列以应对外来机械力的干扰，这就充分体现了石墨烯优良的机械强度和较好的结构稳定性。正是上述优异的物理-化学特性，石墨烯在电子元器件、能源、信息等领域具有广泛的应用前景，也成为当前科研工作者的研究热点。

目前，制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、化学气相沉积法、碳化硅表面外延 生长法、胶带法和化学还原氧化石墨烯法等。但是这些方法大都条件十分苛刻、难以实现， 产品收率低、生产费用昂贵，而且得到产品存在较大的结构缺陷。这就导致了其规模化生产 受到严重限制。同时，在目前常用的化学还原氧化石墨烯法中，需要使用一定量的水合阱、 硼氢化钠、浓硫酸、浓硝酸、重铬酸钾、高锰酸钾、过氧化氢和硫化氢等化学试剂，这些化学 试剂价格昂贵而且具有一定的毒性，容易造成环境污染。因此，研制生态、环保、经济、高效 的石墨烯制备新方法具有重要的现实意义。

近年来，生物制备法成为一种高效、低成本、环境友好的制备新方法，在功能材料领域引起人们的极大研究兴趣。如利用经过基因改造的蓝藻细菌，通过光合作用高效、廉价地生产出来了具有高结晶度、超细网状结构、高弹性模量和高生物相容性的纳米纤维素。利用含有蔛皮素3-O--D-吡喃半乳糖苷的盾柱叶子提取液还原制备得到一种对重金属Cu²⁺选择性吸附能力好的纳米功能材料。利用单种生物或者微生物（如希瓦氏菌、大肠杆菌、节杆菌和枯草芽孢杆菌）还原氧化石墨烯制得石墨烯，但是这些生物或者微生物（如希瓦氏菌和大肠杆菌）很多都有一定的致病性，对人类生存环境存在一定的安全隐患，对生物还原制备石墨烯的扩大化有一定的制约性，而且产品的收率较低。因此，研发安全可靠的非致病性的生物或者微生物还原氧化石墨烯显得十分有价值。本发明为了提高石墨烯的制备收率，特采用非致病性的硫酸盐还原菌和异化铁还原菌作为双模板，生物催化还原制备得到石墨烯。

发明内容

本发明的目的是解决现有制备石墨烯的过程中存在的成本过高、制备条件苛刻、 产品收率低及对环境有毒有害等技术问题。尝试以硫酸盐还原菌和异化铁还原菌为双模 板，在弱碱性无氧条件下，采用反应条件温和的生物催化还原氧化石墨烯法，制备得到一种 性能优异、结构缺陷度和无序性较低的品质优良的石墨烯。具体步骤如下：

（1）菌体的活化、培养

实验所需的硫酸盐还原菌为Desulfovibriovulgaris（简称D.vulgaris），是一种ζ变 形杆菌，严格厌氧。将真空冷冻保存在实验室的硫酸盐还原菌D.vulgaris在50mL海生菌 肉汤中于无氧条件下30℃的恒温振荡培养箱中活化培养5.0h，然后离心收集菌体，10000 r/min，10min。使用DM培养液对D.vulgaris菌体进行3次洗涤，再将其移至含20mL15 mmol/L乳酸钠的DM培养液中，于无氧条件下30℃的恒温振荡培养箱中继续活化培养10h， 最后，取对数生长期的D.vulgaris菌丝体进行重悬，并控制D.vulgaris菌体培养液的OD= 1.25，离心收集D.vulgaris菌体，8000r/min，30min。

实验所需的异化铁还原菌为ShewanellaputrefaciensCN200（简称S. putrefaciensCN200），是一种兼性厌氧异化铁还原菌。将真空冷冻保存在实验室的异化铁 还原菌S.putrefaciensCN200菌体移至装有TSB液体培养基中，于30℃的恒温振荡培养 箱中活化培养10h，待TSB培养基长满菌丝后，离心收集S.putrefaciensCN200菌体，2000 r/min，10min。

（2）氧化石墨烯的预处理