介孔白炭黑粉体的微生物催化合成及表征

摘要

本文首先对介孔材料、生物矿化技术和微生物仿生合成等学科进行了简单介绍,在此基础上对白炭黑材料的研究和应用进行了详细的综述,并分析了利用微生物作为模板矿化合成介孔白炭黑粉体材料的可行性,将“酶催化”理论引入到介孔白炭黑材料的合成当中,提出了以天然酵母活体细胞为“微反应器”,利用其自身的生物活性矿化合成介孔白炭黑的新思路。
　　 选用酵母细胞为模板,通过设计正交实验,选择不同的合成条件,以合成样品的BET比表面积和DBP吸油值为优化目标参数,选择最优的合成条件。结果表明,当煅烧温度为550℃,酵母细胞的用量为2％(wt％),水玻璃体积浓度为15％,硫酸浓度为0.15 mol/L,pH值为9时,合成样品的BET比表面积和DBP吸油值的综合性能均能达到最佳状态,以此作为本实验的最佳工艺条件。之后,对合成的白炭黑材料进行了XRD、TEM、氮气吸附脱附、红外光谱等测试分析,并与没有添加酵母模板的合成样品进行了对比,测试及对比结果表明,实验中加入酵母模板后,合成样品的各项性能均好于空白样品,通过TEM的形貌分析可以明显地观察到介孔的存在,并呈现出无序的蜂窝状结构,这一结果也通过氮气吸附脱附测试得以验证,合成样品的吸附等温线显示样品为典型的介孔材料,并且滞后环为H2型,其孔形状类似于“墨水瓶”,其比表面积为443.18 m2g-1,平均孔径为6.24 nm。在正交实验的基础上通过设计实验,深入研究了热处理温度、水玻璃浓度、pH值等实验因素对介孔白炭黑的影响情况,结果表明,合成样品的BET比表面积和DBP吸油值随着热处理温度的升高、水玻璃浓度的变大、pH值的升高呈现先增大后减小的趋势,这也与正交实验的结果相吻合,从而进一步证明之前所选择的最佳工艺条件是合理的。
　　 在成功制备介孔白炭黑粉体的基础上对其吸附性能和荧光性能进行了研究。通过测定溶液的吸光度,分别计算了介孔白炭黑固定α-淀粉酶的固定化率和吸附亚甲基蓝的吸附率,研究表明,经过24h之后α-淀粉酶在介孔白炭黑材料上的固定化率可达到80％以上,经过120 min之后对亚甲基蓝的吸附率可达到96％以上,两者均显示出白炭黑优良的吸附性能；另外,利用荧光分光光度计和荧光显微镜对其发光性能进行了测试,并简单探讨了其发光机理。
　　 利用荧光显微镜对酵母细胞在矿化过程中的超分子自组装进行了研究,利用高分辨透射电镜对SiO2与酵母细胞内部的无定形碳等有机物质的结合情况进行分析,并解释了矿化过程中的晶体成核、生长机理。在此基础上,利用示意图的形式对酵母细胞的矿化过程进行了模拟分析,并提出了矿化机理。
　　 以啤酒废酵母为模板合成了介孔白炭黑粉体,利用TEM、氮气吸附脱附等测试方法对样品进行表征,结果表明,啤酒废酵母在矿化过程中起到了重要的作用,合成白炭黑粉体的各项性能均好于空白样品。在此基础上利用高分辨电镜简要探讨了废酵母的矿化机理。