[发明专利]一种紫膜-金属氧化物纳米复合材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料和光催化领域，具体包括一种紫膜-金属氧化物纳米复合材料的合成及其应用。

背景技术

纳米技术是指在1−100纳米的尺度内，研究功能性材料的性质和应用、设备系统的制造的技术。纳米技术是现代科学和现代技术结合的产物，纳米技术又将引发一系列新的交叉学科或技术，如纳米物理学、纳米生物学、纳米化学和微纳加工技术等。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1−100 nm）或由它们作为基本单元构成的各种固体超细材料。由于它具有表面效应、界面效应和小尺寸效应等，从而呈现出传统材料所没有的性能和独特的光、电、磁和化学特性，在催化、电化学及光电化学、分析化学、环境治理等领域得到了广泛的应用。

众所周知，很多生命现象发生在纳米水平。例如，核酸与蛋白质就是执行生物功能的重要纳米元件，是优异的天然的生物纳米材料。紫膜（purple membrane，简称PM）为盐生盐杆菌（Halobacterium halobium）和红皮盐杆菌（Halobacterium cutirubrum）等嗜盐菌在光照下在细胞膜上形成的斑状紫色膜。紫膜在嗜盐菌原生质膜上以碎片形式存在，形成紫膜的唯一蛋白质细菌视紫红质（bacteriorhodopsin，简称bR）以三聚体形式的二维六角形晶格排列在天然紫膜中，蛋白占紫膜干重的75%，其余25%为类脂。细菌视紫红质是一种248个氨基酸残基组成的光敏蛋白, 其分子量为26 kDa。bR以紫色的视黄醛作辅基，在光诱导下吸收光子后产生一系列的光循环中间体，最后又回到原始状态。在bR的光循环过程中发现了紫膜的光电转换过程，这种独特的光驱色变和光电响应特性使bR成为光学研究中的理想材料。

生物模板纳米材料，属于生物纳米材料，即以各种天然的生物材料（蛋白质、DNA、细胞、噬菌体、紫膜）为模板（成核位点），模拟生物矿化过程，生成纳米尺寸的材料或具有纳米结构的材料。生物模板合成技术源于人们对自然现象的理解，其生物原型有铁蛋白、驱磁细菌的磁小体、骨骼及鸡蛋壳等生物矿化材料，此方法避免了有机溶剂的使用、不温和的合成条件及复杂的合成步骤。充满魅力的大自然给人们提供了丰富的天然生物模板，促使人们对多种多样的生物模板成生了浓厚的兴趣。经对现有文献的检索发现，科研人员利用紫膜紫膜作模板合成了紫膜-贵金属纳米球复合材料。Zhao等人在《Bacteriorhodopsin/Ag Nanoparticle-Based Hybrid Nano-Bio Electrocatalyst for Efficient and Robust H₂ Evolution from Water》（Journal of the American Chemical Society，2015，137，2840−2843）一文中利用紫膜作模板合成了紫膜-银纳米球复合材料并将其用作电化学催化剂。Mo等人在《Directed Synthesis and Assembly of Nanoparticles Using Purple Membrane》（Small，2006，2，526−529）一文中利用紫膜作模板合成了紫膜-金纳米球复合材料和紫膜-硫化银纳米球复合材料并研究了不同紫膜的蛋白工程突变体对材料合成的影响。Ron等人在《Enhanced Electronic Conductance across Bacteriorhodopsin, Induced by Coupling to Pt Nanoparticles》（The Journal of Physical Chemistry Letters，2010，1，3072−3077）一文中利用紫膜作模板合成了紫膜-铂纳米球复合材料。然而，这些研究仅限于贵金属纳米材料，而过渡金属氧化物在光、电、磁及化学等方面有着异于贵金属的优势。目前基于紫膜紫膜作模板的金属氧化物材料研究尚待发展。