氧化鐵納米催化劑的生物合成及光催化性能研究

薛 珊，楊 濤，周宛欣，唐 璇

(西安石油大學 化學化工學院， 西安 710065)

0 引 言

納米生物合成技術近年來得到了越來越多的關注，生物合成清潔、無毒、反應條件溫和可控，是一種環(huán)境友好的方法[1-2]。此外，生物合成也對納米粒子表面進行了生物修飾，具有高生物相容性、高分散性和高穩(wěn)定性[3-4]。雖然近年來生物合成納米顆粒取得了較大進展，但是所合成的納米顆粒種類仍然較少，且多為簡單的單質(zhì)金屬，并受到微生物種類、pH值、金屬離子濃度、溫度等因素的影響[5]，限制了其產(chǎn)業(yè)化及實際應用。

Srivastava等[6]首次用銅綠假單胞菌細胞外單步合成銀、鐵和銠等納米顆粒； 細胞內(nèi)合成鈷和鋰納米顆粒，且在整個研究過程中無需添加納米顆粒穩(wěn)定的表面活性劑。呂清[7]采用希瓦氏菌Shewanella loihica PV-4 生物合成銅納米顆粒，研究表明低濃度的銅離子及高濃度的希瓦氏菌有利于合成，并且希瓦氏菌在胞內(nèi)和胞外均能生成Cu NPs。楊闊[8]研究發(fā)現(xiàn)地衣芽孢桿菌HLS胞內(nèi)合成粒徑在10～20 nm 的Cu NPs，并推測硝酸鹽還原酶可能影響菌株對Cu NPs的合成。 Abdel-Aziz等[9]證實了里諾琴氏伯克霍爾德菌(Burkholderia rinojensis)細胞中存在的有機分子在合成氧化鎂納米顆粒(MgO NPs)中作為封蓋劑，也有助于阻止納米顆粒的團聚。大量研究表明生物分子有助于化合物作為封蓋劑和穩(wěn)定劑附著在納米顆粒上，提高納米顆粒的穩(wěn)定性和生物相容性，防止顆粒的團聚、電離和聚集，控制其大小和形狀[10]。

Fe2O3禁帶寬度窄，在氧化還原反應中活性高[11]，因此常被用來催化降解有機污染物，特別是Fe2O3NPs，相比于微米級顆粒，由于其具有豐富的多孔結構，在催化氧化過程中具有更好的催化活性。本研究采用銅綠假單胞菌和貝萊斯芽孢桿菌合成Fe2O3NPs，采用銅綠假單胞菌和貝萊斯芽孢桿菌生物合成Fe2O3NPs，探究合成參數(shù)對合成樣品的影響，對Fe2O3NPs進行表征分析，并探究其對甲基紫和異噻唑啉酮有機廢水光催化降解性能。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

藥品與試劑：瓊脂粉，蛋白胨，牛肉浸膏，氯化鈉，無水三氯化鐵，無水乙醇，甲基紫，異噻唑啉酮，鹽酸羥胺，1，10-菲啰啉(一水合物)均為分析純；實驗用水為去離子水。

儀器：FT-IR(Nicolet Nuxes 670)，SEM(Thermo scientific Apreo 2C)，TEM(FEI Talos F200X)TGA(TG-SDTA 851)，XRD(D8 ADVANCE)，氮氣吸附/脫附儀(ASAP202)，紫外可見分光光度計(UV754N)，紫外可見近紅外分光光度計UV-Vis(Lambda950)。

銅綠假單胞菌和貝萊斯芽孢桿菌均由學校微生物實驗室贈送。

1.2 細菌的培養(yǎng)及催化劑的制備

銅綠假單胞菌和貝萊斯芽孢桿菌在牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基，分別培養(yǎng)36 和48 h(30 ℃，140 r/min)。離心(6 000 r，5 min)收集菌體，無菌水洗滌兩次，細胞沉淀用無菌水重懸，在不同的FeCl3濃度(0.5～ 2.5 mmol/L)，時間(2～10 h)，溫度(25～ 45 ℃)和pH值(5.0～7.0)條件下反應。離心得到前驅體(由銅綠假單胞菌制備的前驅體記為前驅體@PA，貝萊斯芽孢桿菌制備的前驅體記為前驅體@BV)，冷凍干燥后放入馬弗爐中焙燒2h，對產(chǎn)品進行表征分析。由銅綠假單胞菌制備的催化劑記為Fe2O3@PA NPs，貝萊斯芽孢桿菌制備的催化劑記為Fe2O3@BV NPs。

1.3 結構表征測試

采用TAG2型熱重分析儀，測定前驅體的熱穩(wěn)定性；采用NICOLET-5700型紅外光譜儀，用KBr薄片法進行檢測；采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀測定材料的晶體結構；采用場發(fā)射掃描電鏡和透射電子顯微鏡對材料的形貌進行分析；采用氮氣物理吸附測試材料的比表面積，孔徑；采用Lambda950型紫外可見光譜儀，測試催化劑的紫外可見光吸收曲線；采用X射線光電子能譜儀對納米催化劑進行化學組成，以及元素的化學價態(tài)分析。

1.4 光催化性能測試

1.4.1 光催化降解甲基紫

催化劑0.03 g，均勻分散在50 ml的10 mg/L的甲基紫溶液中，暗反應攪拌30 min，打開藍光光源，每30 min取樣并過濾。使用紫外-可見分光光度計測定甲基紫溶液在590 nm的吸光度。根據(jù)公式(1)計算降解率：

(1)

式中:C0是初始時刻甲基紫的濃度；Ct是t時刻甲基紫的濃度；A0為初始時刻甲基紫在最大吸收波長處的吸光度值；At為t時刻甲基紫在最大吸收波長處的吸光度值。

1.4.2 光催化降解異噻唑啉酮

取濃度為30 mg/L的異噻唑啉酮溶液(華科CMI∶MI=3∶1)50 mL，然后加入0.03 g的催化劑，通過暗反應攪拌30 min，打開紫外燈，每30 min取樣并過濾。使用紫外-可見分光光度計測定異噻唑啉酮在273 nm的吸光度。根據(jù)公式(2)計算降解率：

(2)

式中：C1是初始時刻異噻唑啉酮的濃度；Cx是x時刻異噻唑啉酮的濃度；A1為初始時刻異噻唑啉酮在最大吸收波長處的吸光度值；Ax為x時刻異噻唑啉酮在最大吸收波長處的吸光度值。

2 結果分析

2.1 制備前驅體的影響因素研究

2.1.1 Fe3+濃度與時間的影響

如圖1，隨著Fe3+濃度從0.5 mmol/L增大至2.5 mmol/L，該反應對鐵離子的生物產(chǎn)率逐漸降低，在反應進行8 h后對Fe3+的產(chǎn)率幾乎穩(wěn)定。對銅綠假單胞菌而言，初始濃度為0.5和1.0 mmol/L的時候，8 h后產(chǎn)率達到77.50%以上，而初始濃度為2.5 mmol/L時，10 h時Fe3+的產(chǎn)率僅為54.44%；對貝萊斯芽孢桿菌而言，初始濃度為0.5和1.0 mmol/L的時候，8 h后產(chǎn)率達到80.20%，初始濃度為2.5 mmol/L時，10 h時Fe3+的產(chǎn)率為42.48%?？紤]到0.5 mmol/L的Fe3+含量較少，因此選擇Fe3+濃度1.0 mmol/L是最佳濃度，時間8 h的最佳反應時間。在高濃度的金屬離子時，生物分子的數(shù)量可能不足以還原所有的金屬離子，產(chǎn)率較低；金屬離子濃度較低時，金屬離子可以快速反應合成納米顆粒，而最佳的反應時間與金屬離子的濃度有關。

圖1 Fe3+濃度與時間對產(chǎn)率的影響:(A) 銅綠假單胞菌; (B) 貝萊斯芽孢桿菌; 其中: (a)0.5 mmol/L; (b)1.0 mmol/L; (c)1.5 mmol/L; (d)2.0 mmol/L; (e)2.5 mmol/L

2.1.2 溫度的影響

將反應溫度控制在25～45 ℃，其對Fe2O3納米光催化劑的影響如圖2所示。

如圖2所示，適宜的溫度有利于提高反應速度[12]，溫度對產(chǎn)率的影響是先增加后降低，不同微生物的適宜溫度也不同，溫度低時微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)活性不高，產(chǎn)率較低；溫度高時微生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)酶變性，產(chǎn)率降低。銅綠假單胞菌在35 ℃時產(chǎn)率達到了79.86%，貝萊斯芽孢桿菌在40 ℃時產(chǎn)率為82.41%。銅綠假單胞菌和貝萊斯芽孢桿菌分別在35和40 ℃時合成前驅體的效果最佳。在合適的溫度下，金屬離子在成核過程中被快速消耗，納米粒子的團聚減少，從而提高顆粒的形成和單分散。

圖2 溫度對產(chǎn)率的影響: (a) 銅綠假單胞菌; (b) 貝萊斯芽孢桿菌

2.1.3 pH值的影響

將反應體系的pH值控制在5.0～7.0之間，其對Fe2O3納米光催化劑的影響如圖3所示。

不同pH對反應的影響如圖3。當pH值為5時，兩種菌對Fe3+的產(chǎn)率都較低。銅綠假單胞菌在pH值為6.5時合成效果最好，產(chǎn)率達到了81.12%；而貝萊斯芽孢桿菌在pH值為7.0時合成效果最好，產(chǎn)率達到了82.41%。pH值改變生物分子的形狀，而生物分子充當納米粒子的封端和穩(wěn)定劑[12]。超過合適的pH范圍，由于某些負責生物分子的失活或降解引起的減少，會使得生成緩慢或者顆粒聚集。

圖3 pH值對產(chǎn)率的影響: (a) 銅綠假單胞菌; (b) 貝萊斯芽孢桿菌

綜上所述，銅綠假單胞菌制備前驅體的最佳條件是Fe3+濃度為C(Fe3+)=1.0 mmol/L、T=35 ℃、pH =6.5、t=8 h；貝萊斯芽孢桿菌制備前驅體的最佳條件是C(Fe3+)=1.0 mmol/L、T=40 ℃、pH=7、t=8 h。在最佳工藝條件下制備催化劑前驅體用于后續(xù)研究。

2.2 前驅體的熱重分析

前驅體的熱重分析曲線如圖4所示。

圖4 前驅體的熱重分析: (a) 前驅體@PA; (b) 前驅體@BV

由熱重分析圖4可知，前驅物的重量在0～250 ℃范圍內(nèi)，前驅物的自由水和結合水逐步蒸發(fā)。在250～400 ℃范圍內(nèi)細胞結構快速分解灰化，重量明顯下降。當溫度升高到400 ℃左右后，前驅體的重量幾乎不再發(fā)生變化。前驅體@PA的失重率約為58%，前驅體@BV失重率約為60%。此時，產(chǎn)物的晶型由無定型逐漸轉化為Fe2O3。因此選擇450 ℃作為焙燒溫度。

2.3 催化劑的X-射線衍射分析

氧化鐵納米光催化劑的組分分析如圖5所示。由圖5可知，在煅燒溫度為200 ℃時，X射線衍射圖譜上并無明顯的衍射峰，說明該條件下生成的產(chǎn)物為無定形非晶態(tài)。在煅燒溫度為450 ℃時，2θ=33.22°、35.69°、49.44°、54.13°等位置都存在很強的衍射峰，與PDF85-0599的(104)、(110)、(024)、(116)的衍射峰位置基本符合。衍射峰強度高，結晶性好。X射線衍射分析表明了銅綠假單胞菌和貝萊斯芽孢桿菌生物法合成了Fe2O3納米顆粒。

圖5 Fe2O3的XRD圖譜: (a) 200 ℃ 煅燒; (b) Fe2O3@PA; (c) Fe2O3@BV

2.4 催化劑的電鏡分析

對不同的前驅體和催化劑進行SEM和TEM分析，如圖6所示。前驅物@PA和前驅物@BV的SEM圖6(a)(d)顯示，合成的產(chǎn)品聚集在一起，產(chǎn)品中含有部分菌體，形狀接近圓柱狀，長度約1.5 μm?？梢郧逦挠^察到納米顆粒在細胞表面生成，表明這兩種菌是胞外合成納米顆粒。將前驅物焙燒使產(chǎn)品中的細胞灰化干凈，得到純納米粒子，然后用掃描電子顯微鏡分析，結果如圖6(b),(e)所示，可知納米粒子為球形。焙燒后產(chǎn)物的TEM圖6(c),(f)可以看到納米粒子出現(xiàn)局部團結現(xiàn)象嚴重，這主要是與樣品處理過程中的冷凍和焙燒退火有關。TEM圖像顯示Fe2O3@PA的平均粒徑約13 nm，F(xiàn)e2O3@BV的平均粒徑約10 nm。

圖6 不同前驅體和催化劑的電鏡圖: (a)前驅體@PA的SEM圖；(b)Fe2O3@PA的SEM； (c)Fe2O3@PA的TEM； (d)前驅體@BV的SEM； (e)Fe2O3@BV的SEM； (f)Fe2O3@BV的TEM

2.5 催化劑的EDS分析

對催化劑進行EDS分析，結果如圖7所示。從圖得知Fe2O3@PA中的鐵含量為38.25%，F(xiàn)e2O3@BV的鐵含量為45.29%，含有Si、P和S等元素是因為細胞的菌體成分。

圖7 催化劑的EDS分析:(a) Fe2O3@PA; (b) Fe2O3@BV

2.6 催化劑的XPS分析

Fe2O3@PA和 Fe2O3@BV材料的全光譜表明材料存在Fe、O、Ca、C和P等元素。由圖8 (B)中所示Fe2O3@PA的 Fe2p XPS 圖譜可知Fe2p1/2 和 Fe2p3/2 的結合能分別為724.25和710.65eV，而圖8 (D)中所示Fe2O3@BV的Fe 2p1/2和Fe 2p3/2的結合能分別為723.9和710.19eV，(B)和(D)在結合能為719.28和719.05 eV處還存在著一個特征峰，這是Fe2O3中Fe3+的特征峰[13,14]。進一步證明了生物法合成了Fe2O3納米顆粒。

圖8 Fe2O3的XPS圖:(A) Fe2O3@PA全譜;(B) Fe2O3@PA Fe2p ;(C) Fe2O3@BV全譜;(D) Fe2O3@BV Fe2p

2.7 催化劑的傅里葉紅外光譜分析

為了進一步研究氧化鐵納米光催化劑的結構，采用傅里葉紅外光譜(FT-IR)對其進行表征。由圖9可以得出，3 440 cm-1處是O-H的伸縮振動特征吸收峰，1 640 cm-1處是蛋白質(zhì)亞甲基-C=O的振動吸收峰，1 382 cm-1處的譜峰，可能是酰胺C—N拉伸造成的。1 048 cm-1處為Fe-O鍵的伸縮振動吸收峰，620，547 與449 cm-1處屬于Fe-O彎曲振動，是Fe2O3的特征吸收峰[15]。FT-IR光譜清楚地表明，細菌分泌的蛋白質(zhì)等有機化合物參與了反應，也可能對細胞外產(chǎn)生的納米顆粒起到穩(wěn)定的作用。

2.8 催化劑的紫外漫反射分析

采用紫外可見吸收分光光度計對氧化鐵納米催化劑的紫外可見光吸收進行表征。由圖10可知氧化鐵納米催化劑在紫外光區(qū)和小于500 nm的可見光區(qū)吸收性能好。 Fe2O3@PA納米催化劑的吸收邊在638 nm處，禁帶寬度1.87 eV，F(xiàn)e2O3@BV納米催化劑的吸收邊在655 nm處，禁帶寬度1.85 eV，相較于商用的氧化鐵[16]納米催化劑(2.10 eV)禁帶寬度減小。

圖9 Fe2O3的FT-IR圖譜:(a) Fe2O3@PA; (b) Fe2O3@BV

圖10 不同催化劑的紫外漫反射光譜：(A) 紫外漫反射光譜;(B)禁帶寬度圖; 其中: (a) Fe2O3@PA,(b) Fe2O3@BV

2.9 催化劑的氮氣物理吸附

圖11為不同樣品的氮氣吸附-脫附等溫線以及孔徑分布圖。從圖11中可以看到，催化劑的氮氣吸附-脫附等溫線，對應IV 型等溫線[17]，0.4～1.0 (P/P0)區(qū)間存在H3型滯后環(huán)，表明制備的材料中存在大量的狹縫介孔。由表1可知Fe2O3@PA的比表面積為24 m2·g-1，是商用Fe2O3的2.4倍，而Fe2O3@BV的比表面積為45 m2·g-1，是商用Fe2O3[16]的4.6倍。比表面積大，活性位點多，催化性能好。由孔徑分布圖可知Fe2O3@BV孔徑較Fe2O3@PA的小，孔徑分布大部分是屬于0～2 nm的微孔結構，但是仍有一些數(shù)量的中孔和大孔結構。Fe2O3@PA含有大量的中孔結構，中孔和大孔的出現(xiàn)可能是由于高溫過程中顆粒的團聚造成的。

圖11 (A)不同樣品的氮氣等溫吸附曲線; (B)不同樣品的孔徑分布曲線 其中: (a) Fe2O3@PA,(b) Fe2O3@BV

表1 Fe2O3的BET分析結果

3 光催化性能分析

3.1 光催化降解甲基紫

如圖12可知，50 mL的 10 mg/L的反應液中不加催化劑作為空白對照，照射時間在5 h內(nèi)，結晶紫溶液有降解，但是降解率僅12.75%；反應液中加入0.03 g催化劑，反應時間在0～3 h時是快速降解階段，3 h以后降解速率降低，降解率曲線平緩上升，F(xiàn)e2O3@PA在5 h內(nèi)的降解率為61.29%，而Fe2O3@BV的最終降解率為69.87%。結果表明Fe2O3@BV的催化降解效果優(yōu)于Fe2O3@PA。催化劑@BV的催化活性高的原因可能是：氮氣物理吸附測試表明Fe2O3@BV的比表面積是Fe2O3@PA的1.9倍，比表面積大，活性位點多，催化活性高[18-19]。

圖12 不同催化劑對結晶紫的降解率: (a)無催化劑; (b) Fe2O3@PA; (c)Fe2O3@BV; (d)Fe2O3(商用)

3.2 光催化降解異噻唑啉酮

圖13是不同pH條件下樣品對異噻唑啉酮的降解率。由圖13可知只有紫外光照射時，異噻唑啉酮溶液也可以發(fā)生降解，研究認為異噻唑啉酮光轉化主要有兩種途徑[20]：(1)主要是打開異噻唑啉酮環(huán)，經(jīng)過一系列脫鹵素、脫烷基和脫胺基化反應后最終裂解成更小的分子；(2)主要是異噻唑啉酮環(huán)受到光激發(fā)后，N-S 鍵斷裂，形成自由基，進一步裂解成更小的分子。Fe2O3@PA和Fe2O3@BV半導體納米催化劑的加入，光激發(fā)產(chǎn)生羥基自由基和空穴電子對，使異噻唑啉酮的降解率提高，紫外光和Fe2O3納米催化劑的共同作用提高了異噻唑啉酮的降解速率，在酸性條件下降解速率較快，堿性條件下降解較慢。反應時間在0～3.5 h時是快速降解階段，3.5 h以后溶液中異噻唑啉酮溶度減少，降解速率降低。Fe2O3@PA在pH值為5的條件下，4.5 h內(nèi)降解率達到了76.21%， Fe2O3@BV的比表面積大，活性位點多，催化活性高，F(xiàn)e2O3@BV的降解率達到了82.13%。

圖13 不同pH條件下催化劑對異噻唑啉酮的降解率: (a)無催化劑,pH 5; (b)無催化劑,pH 7; (c)無催化劑,pH 9; (d) Fe2O3@PA, pH 5; (e) Fe2O3@PA, pH 7; (f) Fe2O3@PA, pH 9; (g) Fe2O3@BV, pH 5; (h) Fe2O3@BV, pH 7; (g) Fe2O3@BV, pH 9

4 結 論

采用兩種不同的細菌，探究了Fe3+濃度、溫度、時間及pH對合成產(chǎn)率的影響，制備出Fe2O3@PA和Fe2O3@BV NPs。FT-IR分析表明某些蛋白質(zhì)分子可以阻止Fe2O3NPs的團聚，UV-Vis和BET分析表明生物法合成的Fe2O3NPs均優(yōu)于商用。兩種催化劑均對甲基紫和異噻唑啉酮溶液有明顯的光催化活性，當光照射的Fe2O3半導體上，光激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，遷移到半導體表面，氧化還原產(chǎn)生·OH自由基，有機物被氧化生成小分子的CO2和H2O等。在藍光照射下，兩種納米顆粒對甲基紫的降解效果均優(yōu)于常規(guī)方法制備的商用Fe2O3，5 h內(nèi)Fe2O3@PA的降解率為61.29%，F(xiàn)e2O3@BV的最終降解率為69.87%；紫外光和Fe2O3納米催化劑的共同作用降解異噻唑啉酮，在pH=5的酸性環(huán)境下持續(xù)4.5 h，F(xiàn)e2O3@PA的降解率為76.21%，F(xiàn)e2O3@BV降解率能達到82.13%，pH=9的堿性環(huán)境下降解效果較差。