宋小杰，王秀芳，楊帆

（1.安徽建筑大學 功能分子設(shè)計與界面過程重點實驗室，安徽 合肥 230601；2.安徽醫(yī)科大學 基礎(chǔ)醫(yī)學院，安徽 合肥 230026）

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單原子層二維結(jié)構(gòu)的新材料，是由碳原子以sp雜化形成的六角型呈蜂巢晶格的結(jié)構(gòu)。由于其高表面積（約2 600 m/g）、顯著的電導率、高化學穩(wěn)定性以及獨特的電子和光學性質(zhì)，石墨烯的研究引發(fā)了業(yè)界極大的關(guān)注。

目前已有將貴金屬納米粒子負載到氧化石墨烯（GO）上的報道，為此開發(fā)了大量合成貴金屬負載GO 的方法。例如，Ag NP/GO 通過GO 上的銀鹽原位還原或采用Ag NP 對GO 的組裝；Wadhwa 等人報道了使用油胺作為還原劑的微波輔助的AgNPs/GO 的一鍋法，不足之處在于所開發(fā)的方法需要使用危險或有毒的還原劑如NaBH和甲醛用以還原GO 和Ag，造成生態(tài)環(huán)境污染并且增大了對人類的健康威脅。目前，氧化石墨烯的制備方法有Brodie 法和Hummers 法，前一種方法使用高氯酸鹽做氧化劑，危險性大。這里采購的GO 采用Hummers 法合成。

本文采用一種綠色的制備方法，即在除原料之外不添加任何化學試劑，僅通過使用環(huán)境廢水和底泥中廣泛存在的革蘭氏陰性菌Shewanella oneidensis MR-1 在還原氧化石墨烯（rGO）表面原位制備Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料。

1988 年，Myers 等首次報道了一種革蘭氏陰性菌希瓦氏菌，命名為Shewanella oneidensis MR-1 的（以下簡稱為

S.oneidensis

MR-1）。作為一種兼性厭氧菌，

S.oneidensis

MR-1 廣泛存在于油田廢液、深海沉積物以及腐敗的食物中，菌體可以從氫氣、乳酸等氧化電子供體獲得電子，這些代謝產(chǎn)生的電子通過由細胞色素（CymA、Mtr）組成電子傳遞通路傳遞給某些物質(zhì)分子，并通過厭氧呼吸維持代謝生長，最后將電子傳遞給環(huán)境中種類豐富的終端電子受體，包括對環(huán)境產(chǎn)生污染的有機物，也包括像金屬離子這樣的無機物（圖1）。利用環(huán)境廣泛存在的微生物來降低環(huán)境污染，本論文的研究意義就在于此。

圖1 S.oneidensis MR-1 體內(nèi)細胞色素細胞色素CymA和Mtr 轉(zhuǎn)移電子示意圖[13]

在本研究中，我們希望利用

S.oneidensis

MR-1綠色合成制備納米復(fù)合材料并應(yīng)用于環(huán)境修復(fù)。在光催化降解亞甲基藍的性能實驗中，納米復(fù)合材料相較于單一材料顯示出更好的催化效率。該方法為簡便、環(huán)保、低成本合成納米復(fù)合材料，并且高效降解染料提供了一種新的嘗試。

1 實驗所需材料

1.1 實驗試劑

氧化石墨烯分散液（GO）（2 mg/mL，南京先豐納米材料公司），氯金酸AuCl·HCl·4HO，氯化鎘CdCl·5/2HO，硫化鈉NaS·9HO，聚乙烯吡咯烷酮、亞甲基藍都是分析純，實驗前未經(jīng)純化處理。

1.2 分析方法

使用透射電子顯微鏡（TEM；JEM-2010，日本）觀察所制備材料的形貌，X 射線衍射（XRD）光譜使用具有CuKα 源的Bruker D8-Advance X 射線衍射儀測定，使用Thermo Escalab 250 電子光譜儀測定X 射線光電子能譜（XPS），紫外-可見吸收光 譜 用Lambda 900UV-vis 分 光 光 度 計（Perkin-Elmer）測量。

1.3 實驗過程

1.3.1

S.oneidensis

MR-1 的培養(yǎng)在超凈工作臺挑

S.oneidensis

單菌至裝有滅菌的0.5 ml 厭氧培養(yǎng)基LB 的離心管中，之后放在30 ℃120 rpm 的搖床中培養(yǎng)，待大量

S.oneidensis

MR-1 生長（約7 h），轉(zhuǎn)入錐形瓶盛裝的LB 培養(yǎng)基中30 ℃150 rpm 培養(yǎng)18 h，將培養(yǎng)后的菌液6 000 rpm 離心5 min，共離心三次，去除上清液，然后用滅菌后的厭氧培養(yǎng)基4 ml 將底部菌液混勻成懸濁液，待用。厭氧培養(yǎng)基的配方見作者已發(fā)表的文章。

1.3.2 Au/rGO 納米復(fù)合材料的制備

將0.016 5 g 的氯金酸加入4 ml 2mg/L 的GO分散液里，將混合液放入到一個滅菌的血清瓶中；再將16 ml 滅菌的厭氧培養(yǎng)基LB 加入混合液中，立即蓋上塞子，然后放搖床里180 rpm 振蕩3 h；之后加入0.16 ml 上述1.3.1 中制備的S.oneidensis MR-1 懸 濁 液（保 證

S.oneidensis

MR-1 濃 度 為5×10CFU/ml），在搖床里150 rpm 振蕩72 h；最后將血清瓶中的溶液5 000 rpm 離心5 min，先去除

S.oneidensis

MR-1，再10 000 rpm 離心5 min 將產(chǎn)品回收，70 ℃干燥24 h。

1.3.3 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的制備

將1.3.2 得到的Au/rGO 納米復(fù)合材料溶解于100 ml 去離子水中，超聲分散30 min；將上述溶液邊攪拌邊逐滴滴加12 ml 0.009 mol/L 氯化鎘溶液，滴加結(jié)束后，攪拌15 min；再向溶液中加入200 mg PVP，至完全溶解后，攪拌1h；最后向溶液里緩慢滴加90 ml 0.013 mol/L 硫化鈉溶液，攪拌30 min，將所得溶液用去離子水抽濾洗滌，放入烘箱中70 ℃干燥24 h；最后，將所得到的干燥產(chǎn)品研磨。

2 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的表征

2.1 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的TEM 分析

圖2 顯示的是Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的透射電子顯微鏡照片，圖2a 中rGO 層數(shù)少襯度稍高，呈薄的片層狀，并有少許的褶皺；在rGO 表面上觀察到大量粒徑不超過10 nm 的顆粒均勻的納米粒子（量子點）生成。高分辨電子顯微鏡照片（圖2c）進一步顯示納米顆粒是球形的，分析晶格條紋發(fā)現(xiàn)，晶面間距d=0.13 nm 屬于Au的（220）晶面，晶面間距d=0.15 nm 屬于CdS 的（002）晶面，這表明Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料被成功合成。作為一種典型的金屬還原菌，

S.oneidensis

MR-1 可以通過生物法還原制備各種金屬單質(zhì)納米顆粒；在還原過程中，由

S.oneidensis

MR-1 的OmcA-mtrCAB 基因簇構(gòu)建的重要的厭氧呼吸通道將電子從細胞質(zhì)膜傳遞到細胞外，Au獲得電子后被還原成單質(zhì)Au，除此之外，氧化石墨烯GO 也同時被還原成還原氧化石墨烯rGO。

圖2 去除S.oneidensis MR-1 的Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的透射電鏡TEM 照片（a）（b）和HRTEM 照片（c）

2.2 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的XRD 分析

本實驗使用X 射線衍射儀，掃描角度2

θ

的范圍為10-80°。從Au/CdS/rGO 的XRD 的圖譜中可得到2

θ

為38.148°、64.198°和77.407°對應(yīng)Au 的（111）、（220）和（311）晶面（JCPDS04-0784）；2

θ

為26.514°、44.198°和51.111°分別對應(yīng)CdS的（002）、（110）和（220）晶面（JCPDS80-0006）；在2

θ

=26.42°處出現(xiàn)明顯的rGO 衍射峰。結(jié)論表明，Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料被成功合成。

圖3 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料和納米CdS 的XRD 圖譜

2.3 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的XPS 分析

X 射線光電子能譜（XPS）提供了原子的價態(tài)信息，通常用于研究納米材料中的成分。圖4 的XPS 光譜表征了所制備的Au/CdS/rGO 表面元素組成，其中圖4b-d 提供了Au/CdS/rGO 中C、Au 和Cd 的XPS 光 譜。在 圖4b 中，Au/CdS/rGO 的C 1s譜圖顯示三個峰，位于284.5 eV、286.5 eV、和288.6 eV，分別對應(yīng)于C-C、C-O、和O-C ═O。圖4c 中，XPS 在83.6 eV 和88.2 eV 處達到峰值，對應(yīng)于金屬Au 中的Au 4f5/2 和Au 4f7/2，表明Au 納米顆粒已成功負載在rGO 的表面上。如圖4d 所示，在412.4 eV 和405.6eV 處觀察到的光電子峰與CdS 的結(jié)合能一致，分別對應(yīng)Cd 3d5/2 和Cd 3d3/2 的結(jié)合能，對應(yīng)于CdS 納米顆粒中的Cd，圖4d 的分析結(jié)果證實了Au/CdS/rGO 樣品中CdS 納米顆粒的存在。上述XPS 結(jié)果進一步證實Au/CdS/rGO 的元素組成，有力證明了納米復(fù)合材料中rGO、Au 和CdS 的成功合成。

圖4 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的XPS 光譜

3 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料光催化性能的優(yōu)化研究

組裝儀器，安裝碘鎢燈（模擬太陽光的光源），將實驗所需的亞甲基藍溶液（40 mg/L）準備好，稱取50 mg 的催化劑，加入到燒杯中，加30 ml 40 mg/L的亞甲基藍溶液，避光攪拌1 h 達到吸附平衡，然后在碘鎢燈下進行光降解實驗。降解開始每隔10 min 取一次樣，取樣直至吸光度值無明顯變化，結(jié)束取樣。每次取樣1 ml，稀釋至10 ml，10 000 rpm高速離心2 min 后，取上清液測吸光度值，實驗溫度控制在25 ℃。

未加催化劑的空白試驗、純CdS 納米顆粒、純rGO、Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料光催化降解亞甲基藍的實驗分別進行，各種催化劑用量一致，實驗條件控制一致，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 純CdS、rGO、Au/CdS/rGO 光催化降解亞甲基藍的效果對比圖

通過對比，各種催化劑對亞甲基藍均表現(xiàn)出一定的催化作用，催化能力Au/CdS/rGO 復(fù)合材料>納米CdS>純rGO。反應(yīng)70 min 后，Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料對亞甲基藍的降解率達到98.86%，明顯優(yōu)于純CdS 和純rGO，說明將CdS 和納米Au 負載到rGO 上可提高光催化性能。循環(huán)實驗得知，三次光催化實驗后Au/CdS/rGO 納米復(fù)合催化劑對亞甲基藍的光催化降解率仍為78.42%（如圖6），說明此納米復(fù)合材料的可重復(fù)使用性較好。

圖6 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合催化劑光催化降解亞甲基藍的循環(huán)實驗

4 機理研究

4.1 微生物法合成Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料機理

圖7 顯示了在合成Au 和CdS 納米顆粒后，尚未去除

S.oneidensis

MR-1 的TEM 圖。從圖中可以看到

S.oneidensis

MR-1 細胞的形狀是圓柱體形，寬度約300 nm，長度約600-800 nm。在

S.oneidensis

MR-1 的表面、周圍和附近的rGO 上出現(xiàn)了尺寸不均的納米顆粒，表明這些納米顆粒是在

S.oneidensis

MR-1 存在和作用下逐漸生長的?？赡艿臋C理：首先，

S.oneidensis

MR-1 通過代謝存在于厭氧培養(yǎng)基LB 中的乳酸鈉獲得電子，這些電子首先流入細胞質(zhì)膜上的甲基萘醌類池，然后經(jīng)由一套由細胞色素蛋白所構(gòu)成的呼吸通道MtrA、MtrB、MtrC 和OmcA 再 將 電 子 傳 遞 到 細 胞 外（如圖1 所示），細胞周圍的Au得到這些電子被還原成Au 納米顆粒，依靠rGO 優(yōu)越的導電能力，同時氧化石墨烯也被還原成rGO，從而原位形成了Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料。

圖7 S. oneidensis MR-1 生物反應(yīng)120 min 后合成Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料未除去S. oneidensis MR-1 的TEM 照片

4.2 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料還原亞甲基藍機理

如圖8，在模擬太陽光照射下，Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料抑制了電荷分離，表面捕獲光子產(chǎn)生的載流子是能夠進行光催化降解的一個重要因素，負載在rGO 上的CdS 和rGO 之間形成了有效的納米界面相互作用，rGO 納米片充當了光生電荷運輸體，從而增加了電荷轉(zhuǎn)移，同時減少了CdS 的電子-空穴對的重組，而rGO 表面上分離的電子進一步與吸附的O和HO 結(jié)合，產(chǎn)生OH·自由基；另外，這一過程在CdS 的價帶（VB）上留下空穴，空穴和OH·具有強大的氧化能力，有利于降解包括染料亞甲基藍在內(nèi)的有機污染物。

圖8 Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料降解亞甲基藍機理圖

5 結(jié)論

綜上所述，本文采用一種簡便的生物法將

S.oneidensis

MR-1 用于原位合成Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料。TEM 照片所示，在S. oneidensis MR-1介導作用下Au在rGO 表面上原位還原成Au 納米顆粒，球形CdS 和Au 納米顆粒的直徑均小于20 nm，并且很好地分散在rGO 表面，通過XRD 和XPS 表征也證實了Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料的成功合成。在光催化性能研究中，Au/CdS/rGO 納米復(fù)合材料表現(xiàn)出比純rGO 和純CdS 更高的催化效率，這是由于在催化過程中rGO 增加了電荷轉(zhuǎn)移，復(fù)合材料的合成減少了CdS 的電子-空穴對的重組，并且為光催化反應(yīng)提供更多對降解有機污染物有利的OH·自由基。這種微生物介導合成納米復(fù)合材料的方法可以擴展到其它一些貴金屬負載的納米復(fù)合催化劑的制備中，并且以細菌為介導材料的綠色合成納米復(fù)合材料的研究也為污染物的生物綠色降解提供了啟示。