魏 黛， 劉向宇， 呂 中

(武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院， 武漢 430074)

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Ag/BiOCl復(fù)合材料合成及光催化殺菌活性研究

魏 黛， 劉向宇， 呂 中*

(武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院， 武漢 430074)

通過沉積法直接將納米銀顆粒負載到BiOCl上，合成Ag/BiOCl二元復(fù)合納米材料，通過X射線粉末衍射、掃描電子顯微鏡、能量色散X射線光譜儀和紫外可見漫反射光譜等多種表征方法對納米復(fù)合物的組成、形貌、光學(xué)性質(zhì)進行表征. 研究其在可見光下對金黃色葡萄球菌 (S.aureus) 的殺菌活性，并探討殺菌機理. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BiOCl負載納米銀后，由于銀的表面等離子體效應(yīng)，將BiOCl對光的吸收范圍從紫外光區(qū)拓展到可見光區(qū). 在可見光下Ag/BiOCl能將濃度為1×106cfu·mL-1的S.aureus在6 h內(nèi)完全殺滅，優(yōu)于單純的BiOCl以及納米Ag在可見光下對S.aureus的殺菌效果. 通過熒光光譜和電化學(xué)阻抗對BiOCl和Ag/BiOCl內(nèi)電子的激發(fā)、遷移與消耗過程進行分析，發(fā)現(xiàn)Ag/BiOCl二元復(fù)合材料光生電子和空穴的復(fù)合率低于單純的BiOCl. 通過捕獲劑實驗初步確定殺菌過程中的主要活性物種是電子、空穴和H2O2. 該研究首次報道了Ag/BiOCl在可見光下對S.aureus的光催化殺菌活性.

可見光催化殺菌； Ag/BiOCl； 殺菌機理； 活性物種

隨著我國生物、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的飛速發(fā)展，大量含微生物廢水的肆意排放對環(huán)境造成的污染程度日趨嚴重. 細菌感染最直接普遍的途徑就是通過污染與人類息息相關(guān)的飲用水. 目前使用的飲用水消毒方式主要有物理消毒、化學(xué)消毒和光化學(xué)消毒等. 然而，隨著水質(zhì)污染加劇、抗生素的廣泛使用和微生物的抵抗性及毒性的增強，很多傳統(tǒng)的消毒方法不能有效去除水體中的有害微生物，有些方法甚至?xí)a(chǎn)生致癌的有毒副產(chǎn)物[1-3]. 1985年Matsunaga等人[4]首次報道TiO2光催化殺菌作用，其對環(huán)境污染小，不會產(chǎn)生對人體有害的副產(chǎn)物，同時還能用于治理環(huán)境中有機物降解，因而基于半導(dǎo)體的光催化殺菌性能研究受到了廣大學(xué)者的關(guān)注[5]. 目前大多數(shù)的報道是基于TiO2光催化殺菌研究，然而，TiO2屬于寬帶隙半導(dǎo)體，只能在紫外光下被激發(fā)，但紫外光在自然光中只占大約4%，對光能的利用率低是限制TiO2被廣泛應(yīng)用的主要原因[6-7].因此尋求在可見光下能有效殺菌的光催化劑具有重要意義.

鉍元素位于元素周期表中金屬與非金屬交界處，具有特殊的理化性質(zhì)，對有機體毒性小，是一種無毒的“綠色”金屬. 近年來，含鉍無機半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)具有較好的光、熱、電轉(zhuǎn)化性能，有望在非均相催化領(lǐng)域得到進一步的應(yīng)用[8-9]. 其中，BiOCl因其獨特的層狀結(jié)構(gòu)，使其具有良好的光生載流子流動性能與高的光生電子與空穴分離效率，在水解制氫、太陽能電池、燃料電池及有機污染物降解等領(lǐng)域的研究被廣泛報道[10-11]. 但是單體BiOCl帶隙值較大，直接的價帶到導(dǎo)帶的光躍遷只能利用太陽光譜中僅占4%的紫外光，因此其作為光催化劑在實際的應(yīng)用中受到很大的局限. 通過貴金屬負載是提高半導(dǎo)體催化活性的有效手段之一，其中納米Ag因為其價格相對低廉，對可見光有強烈響應(yīng)，以及在半導(dǎo)體上能產(chǎn)生表面等離子體效應(yīng)，被認為是非常具有應(yīng)用前景的改性材料之一[12]. 目前關(guān)于Ag/BiOCl二元復(fù)合納米材料的研究集中在光催化降解有機染料[13-14]，在光催化殺菌領(lǐng)域的研究未見報道. 鑒于此，本文通過直接沉積法，將合成好的納米Ag顆粒沉積到片狀BiOCl上，合成出Ag/BiOCl二元復(fù)合納米材料，探討其光催化殺菌活性及機理.

1 實驗部分

1.1材料與儀器

五水合硝酸鉍 (Bi(NO3)3·5H2O)，重鉻酸鉀 (K2Cr2O7)，草酸鈉 (Na2C2O4)，Aldrich；氯化鉀 (KCl)，一縮二乙二醇 (DEG)，異丙醇 (Isopropanol)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；EDTA-Fe (II)， AJAX化學(xué)試劑有限公司. 實驗所用菌種為金黃色葡萄球菌 (S.aureus， ATCC 9118) 由華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供.

樣品的組分和形貌通過X射線粉末衍射 (XRD， Bruker axs D8 Discover，CuKα=1.5406 ?)、掃描電子顯微鏡 (SEM， Hitachi S4800)與X 射線能譜 (EDX)；利用紫外可見分光光度計 (DRS， Shimadzu UV-2550) 對樣品進行紫外-可見光吸收光譜測試； 利用電化學(xué)阻抗 (EIS， 上海辰華CHI 660E)和熒光光譜 (PL， Htiachi F-4600)對Ag/BiOCl內(nèi)電子的激發(fā)、遷移與消耗過程進行分析.

1.2實驗方法1.2.1BiOCl和納米Ag的合成 將 0.970 g Bi(NO3)3·5H2O (2 mmol) 溶解至40 mL DEG，得溶液A. 將0.150 g KCl溶解到 20 mL 去離子水中得溶液B. 然后將溶液B緩慢滴加到溶液A中，得白色沉淀. 將所得溶液靜置15 min后，離心、洗滌并收集樣品. 所得樣品在60oC 烘箱中干燥24 h后待用，編號S1. 納米Ag的合成：參見本課題組的合成方法[15]，粒徑為 2～10 nm.

1.2.2Ag/BiOCl的合成 稱取0.1 g上述合成的BiOCl (S1) 粉末，將其分散在1 mL上述配好的納米Ag溶液(1 mg/mL)中，在磁力攪拌器下攪拌4 h后，離心、洗滌并收集樣品. 所得樣品在60oC 的烘箱中干燥24 h后待用，編號S2.

1.2.3光催化殺菌實驗 實驗所用光源為帶有紫外光濾光片 (λ≥400 nm) 的500 W氙燈提供的可見光. 實驗過程中所用到的玻璃儀器均在121oC下高溫高壓滅菌20 min以確保無菌. 具體實驗步驟如下：將細菌用0.9 %的無菌生理鹽水稀釋成濃度約為1×106cfu·mL-1的菌懸液，取20 mL菌液并加入2 mg的Ag/BiOCl催化劑，使體系中催化劑濃度為100 mg·L-1. 實驗溫度控制在25oC左右，反應(yīng)過程中每隔1 h取0.5 mL的菌液，用0.9 % 的生理鹽水稀釋后倒平板，在37oC恒溫箱中培養(yǎng)24 h后，通過菌落計數(shù)法確定反應(yīng)體系中存活的細菌濃度.

1.2.4光電測試 采用標準三電極系統(tǒng)，鉑絲作為對電極，甘汞電極作為參比電極，0.5 mol/L 鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀溶液為電解質(zhì).工作電極制作過程如下：將 20 mg 所合成樣品分散到由 1 mL DMF 和 0.01 mL nafion 溶液 (5%， DuPont) 組成的混合溶液，取 0.1 mL將其均勻滴涂到 10 mm × 10 mm的銦錫氧化物 (ITO) 導(dǎo)電玻璃電極上，控制平均樣品涂覆量為2 mg/cm2. 漿液自然風(fēng)干后，將導(dǎo)電玻璃轉(zhuǎn)移到80 °C的真空干燥箱中干燥4 h以除去殘存的DMF液體.在開路電壓下測試，實驗過程中以樣品通過滴涂的方法涂覆到玻碳電極上，作為工作電極使用.測試過程中交流擾動電壓設(shè)置為5 mV ，掃描頻率范圍為0.5～105Hz.

1.2.5捕獲劑實驗 在20 mL 1×106cfu·mL-1的S.aureus與100 mg·L-1Ag/BiOCl的混合溶液中，分別采用了0.5 mmol/L Na2C2O4作為空穴 (h+) 的捕獲劑，5 mmol/L Isopropanol作為羥基自由基 (·OH) 的捕獲劑，0.05 mmol/L K2Cr2O7作為電子 (e-) 的捕獲劑，0.1 mmol/L EDTA-Fe (II) 作為H2O2的捕獲劑.活性物種捕獲實驗過程與上述光催化殺菌活性測試的過程一致.

2 結(jié)果與討論

2.1樣品的表征分析

圖1為所合成樣品的XRD表征結(jié)果. 樣品S1的所有特征衍射峰都能與正方晶系的BiOCl (JCPDS卡片編號06-0249) 完全對應(yīng)，沒有出現(xiàn)雜峰，說明合成樣品S1是BiOCl，且純度高. 樣品S2中同樣能觀察到BiOCl的所有特征衍射峰，但是沒有明顯觀察到單質(zhì)Ag的特征衍射峰，這可能與銀的負載量太低有關(guān).

圖1 樣品S1和S2的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of S1and S2

樣品的SEM分析如圖2所示，圖2 (a) 和圖2(b) 分別是樣品S1和S2的掃描圖，從圖2中可以看出，負載前后樣品形貌沒有發(fā)生明顯變化，都是平均直徑在50 nm，厚度在10 nm的片狀結(jié)構(gòu)；從圖2 (b) 中可以觀察到有小顆粒分散在納米片上.

圖2 樣品S1 (a) 和S2 (b) 的SEMFig.2 SEM of S1 (a) and S2 (b)

圖 3 是樣品S2的EDX分析，圖譜中出現(xiàn)了Ag、Cl、O、Bi、C、Al的峰，其中C和Al為樣品在測試中使用的基底材料，這說明樣品S2中含有元素Ag、Cl、O、Bi. 雖然從XRD圖譜中沒有觀察到樣品S2中出現(xiàn)單質(zhì)Ag的特征衍射峰，但是結(jié)合樣品S1和S2的SEM和EDX圖分析可知，樣品S1為純的BiOCl，樣品S2為Ag/BiOCl二元復(fù)合納米材料．

圖3 樣品S2的EDXFig.3 EDX of S2

純的BiOCl、Ag/BiOCl二元復(fù)合材料和合成的納米銀顆粒的紫外漫反射光譜如圖4所示. 單純的BiOCl屬于寬帶隙半導(dǎo)體材料，對光的吸收主要集中在紫外光區(qū)域，在可見光區(qū)基本沒有吸收，納米Ag顆粒在可見光區(qū) (400 nm左右) 表現(xiàn)出對光強烈的吸收. 當(dāng)在BiOCl上負載Ag后，二元復(fù)合物對光的吸收范圍從紫外區(qū)拓展到可見光區(qū)，從圖中可以明顯觀察到在400～500 nm 對光的吸收增強，這說明納米Ag的表面等離子效應(yīng)有利于復(fù)合材料的光吸收范圍向可見光區(qū)延展，提升材料對可見光的利用率.

圖4 BiOCl、納米銀和Ag/BiOCl的紫外-可見光漫反射光譜圖Fig.4 UV-vis diffuse reflectance spectra of BiOCl， Ag nanoparticles and Ag/BiOCl

2.2Ag/BiOCl的可見光催化殺菌活性研究

Ag/BiOCl二元復(fù)合材料在可見光下對S.aureus的光催化殺菌活性見圖5. 在空白實驗 (Light control) 中顯示，S.aureus在沒有催化劑存在條件下，在可見光下照射6 h后，細菌濃度基本沒有變化，說明在實驗條件下的光照不會對細菌造成損傷. 當(dāng)只有催化劑Ag/BiOCl存在而沒有可見光照射條件下 (Dark control)，細菌濃度在6 h內(nèi)也基本沒有變化，這說明催化劑Ag/BiOCl本身對細菌是無毒無害的. 在可見光照射下，單純的BiOCl對S.aureus的殺菌能力很低，在6 h后的滅活率只有0.71-log，當(dāng)催化劑為Ag/BiOCl二元復(fù)合體系時，其光催化殺菌活性有了很大程度的提升，在6 h內(nèi)能將細菌完全殺滅. 已有文獻報道納米Ag對細菌有抗菌作用[16-18]，為了研究Ag/BiOCl的殺菌效果是否是由于負載在BiOCl上的單質(zhì)Ag發(fā)揮殺菌作用，將納米Ag (理論負載濃度10 mg·L-1)作為催化劑，發(fā)現(xiàn)其在可見光下，6 h內(nèi)對S.aureus的殺菌效率僅有1.9-log，遠低于Ag/BiOCl二元復(fù)合材料對S.aureus的殺菌活性. 這些結(jié)果說明，Ag/BiOCl二元復(fù)合材料的光催化殺菌活性提高，主要不是因為納米Ag的殺菌效果，可能是負載Ag后材料的光催化活性改變，從而影響其殺菌活性.

2.3Ag/BiOCl的可見光催化殺菌機理探討

為探究Ag負載后樣品的光催化殺菌性能提升機制，通過材料的EIS及PL對材料內(nèi)電子的激發(fā)，遷移與消耗過程進行分析，結(jié)果如圖6.圖6 (a) 是BiOCl和Ag/BiOCl的EIS Nyquist圖譜，Ag/BiOCl表現(xiàn)出比單純BiOCl更小的半圓弧，說明復(fù)合材料內(nèi)電子和空穴的遷移效果更好，更有利于電子與空穴的分離.光生電子與空穴的復(fù)合過程通過PL進行研究.材料的PL是材料內(nèi)處于激發(fā)態(tài)電子以光能形式釋放能量回到基態(tài)的過程，因此，熒光強度越強說明材料內(nèi)光生電子與空穴的復(fù)合機率越大.圖6 (b) 為BiOCl和Ag/BiOCl的光致熒光譜圖，從圖中可以得知，Ag/BiOCl表現(xiàn)出更低的熒光強度，說明負載納米銀后，光生載流子的復(fù)合率降低.綜上所述，在BiOCl上負載納米Ag能有效促進光生電子和空穴的分離，從而提高Ag/BiOCl的光催化活性.

圖5 不同催化劑在可見光下對S.aureus的光催化殺菌活性Fig.5 Photocatalytic inactivation efficiency of S.aureus under visible light irradiation using different catalysts

圖6 BiOCl和Ag/BiOCl的交流阻抗譜 (a) 以及熒光光譜圖 (b)Fig.6 (a) Electrochemical impedance spectroscopy and (b) photoluminescence spectra of BiOCl and Ag/BiOCl

3 結(jié)論

通過簡單的沉積法成功合成納米Ag顆粒分布較均一的Ag/BiOCl二元復(fù)合材料，在可見光下Ag/BiOCl表現(xiàn)出優(yōu)于BiOCl和納米Ag顆粒對S.aureus的光催化殺菌活性. 可能的殺菌機理是在可見光照射下，由于納米Ag的表面等離子體效應(yīng)，使材料表面產(chǎn)生e-和h+，而BiOCl的層狀結(jié)構(gòu)能夠有效的轉(zhuǎn)移電子，促進光生載流子的分離，從而提高復(fù)合材料的光催化活性.生成的e-和h+能與反應(yīng)體系中的H2O或O2發(fā)生反應(yīng)，生成H2O2，氧化細菌細胞壁，或進入細胞氧化細胞內(nèi)的生物大分子，從而導(dǎo)致細菌滅亡.

圖7 不同捕獲劑對S.aureus的可見光催化殺菌活性圖(a)在沒有Ag/BiOCl存在下；(b)存在Ag/BiOCl時Fig.7 (a) Photocatalytic disinfection efficiency of S.aureus in absence of Ag/BiOCl with different scavengers under visible light irradiation (b) Photocatalytic disinfection efficiency of S.aureus in the presence of Ag/BiOCl with different scavengers under visible light irradiation．

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Synthesis and photocatalytic disinfection efficiency of Ag/BiOCl composite

WEI Dai， LIU Xiangyu， LYU Zhong

(School of Chemical Engineering and Pharmacy， Wuhan Institute of Technology， Wuhan 430074)

The Ag/BiOCl binary nanocomposites were synthesized by depositing silver nanoparticles to BiOCl directly. The composition，morphology and optical properties of the obtained sample were characterized by X-ray diffraction， scanning electron microscopy， energy dispersive X-ray spectra and UV-vis diffuse reflectance spectra. The photocatalytic disinfection efficiency and its mechanism of Ag/BiOCl forS.aureuswere investigated. It was found that owning to the surface plasmonic resonance of silver， the light absorption band of Ag/BiOCl extended from ultraviolet to visible light area. The results of photocatalytic disinfection showed that 1×106cfu·mL-1ofS.aureuswere completely inactivated within 6 h by Ag/BiOCl under visible light irradiation， exceeding those of pure BiOCl and Ag nanoparticles. The electronic excitation， migration and consumption process of BiOCl and Ag/BiOCl were analyzed by photoluminescence spectra and electrochemical impedance spectroscopy experiments. Ag/BiOCl binary composites exhibited the lower recombination of electron-hole pair compared to that of pure BiOCl， which thereby improved photocatalytic performance. The scavenger experiments indicated that the e-， h+and H2O2were the major reactive species for bacterial inactivation. This study is the first report on photocatalytic bactericidal activity of Ag/BiOCl under visible light．

visible-light-driven photocatalytic disinfection； Ag/BiOCl； bactericidal mechanism； reactive species

2016-04-13.

國家自然科學(xué)基金項目(21371139)．

1000-1190(2016)04-0559-06

Q505

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: zhonglu@wit.edu.cn．