大肠杆菌鞭毛为模板制备氧化铁用于增强光电催化产氢活性的方法

摘要

本申请公开了一种以大肠杆菌鞭毛为模板制备Fe

说明书

技术领域

本专利属于光电催化领域，具体涉及一种以大肠杆菌鞭毛为模板制备Fe₂O₃用于增强光电催化产氢活性的方法。

背景技术

随着社会的发展人们对能源的需求越来越多，同时化石能源带来的污染越来越严重，因此急需开发一种新型清洁能源来解决当前的能源问题。利用太阳能光电催化制取氢气清洁能源被认为是最有前景的途径之一。

氧化铁（Fe₂O₃）由于禁带宽度窄，储量丰富以及绿色无污染的优点成为使用广泛的光电催化剂。然而氧化铁对太阳光的吸收率较低，与溶液界面传输阻力较大等缺点导致并不能直接用于光电催化制取氢气。Fe₂O₃作为光电催化剂存在光生电子与空穴复合问题。

发明内容

为解决现有技术中Fe₂O₃作为光电催化剂存在光生电子与空穴复合严重的技术问题，本发明提供一种以大肠杆菌鞭毛为模板制备Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜以减小其光生电子与空穴复合，增强Fe₂O₃作为光电催化剂的光电产氢活性方法。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

步骤1，制取LB培养基,用NaOH、HCl溶液调节LB培养基的pH为6～8，然后过滤灭菌后冷却至室温；

将大肠杆菌的菌液接种于所述LB培养基，并于恒温振荡培养箱中 26℃~28℃、121r/min 的条件下培养 24~36h，然后于离心机中4000r/min离心15min弃掉上清液，得大肠杆菌；

将制备的大肠杆菌加入pH为6～8的PBS 缓冲液分散后于离心机中先按照 4000~8000r/min速度离心若干次，每次离心 10min，每次离心后弃掉上清液即得大肠杆菌，然后再次加入所述PBS 缓冲液分散、离心，经过若干次离心以除去杂质；最后，将弃掉上清液所得的大肠杆菌加灭菌后的蒸馏水涡旋分散，然后于离心机中按照9000~10000r/min速度离心 15min，取上清液即得浓度不低于5*10¹⁰个/ml的鞭毛溶液。

步骤2，将两片分别用作阴阳两极的金属钛箔薄片间隔的浸入以无水乙醇为溶剂的Fe(NO₃)₃·9H₂O溶液中，使用直流电源在恒电流模式进行电化学沉积，然后取所述阴极金属钛箔薄片冲洗晾干后置于马弗炉中500>

步骤3，在步骤2制备的氧化铁薄膜表面均匀刮涂步骤1制备的鞭毛溶液后，即得α-Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛薄膜；然后，将晾干后的所述α-Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛薄膜浸入浓度为0.01~1mol/L硝酸镍沉积液中电沉积5~100s氢氧化镍，电沉积结束后将其置入于烘箱中100℃条件下烘干1h后，即得α-Fe₂O₃/大肠杆菌/Ni(OH)₂薄膜。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(3)中所述的大肠杆菌鞭毛刮涂量为2.5*10⁸~15*10⁸个/cm²的数量级，该大肠杆菌鞭毛为浓缩后鞭毛。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤1中大肠杆菌鞭毛的获取需离心至少5次才能达到较好的去除杂质效果，且得到的鞭毛溶液需冷冻干燥十二小时。

具体步骤为，将离心后的大肠杆菌加入pH为6～8的PBS 缓冲液分散，然后于离心机中以 4000r/min离心 10min从而去除杂质，上述步骤重复5次；然后将弃掉上清液所得的大肠杆菌再次加入所述PBS 缓冲溶液分散，然后于离心机中以 8000r/min离心 10min从而去除杂质，然后将弃掉上清液所得的大肠杆菌加灭菌后的蒸馏水涡旋分散，然后于离心机中以9000~10000r/min离心15min去除残留的所述PBS 缓冲液，取上清液即得浓度不低于5*10¹⁰个/ml的鞭毛溶液，然后将得到的鞭毛溶液冷冻干燥十二小时。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中铁(III)的浓度分布从0.0062到0.008mol/L。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中所述的氧化铁在马弗炉内以17℃/min的速度升温至500℃，并在该温度下反应4h。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤（3）中所述的Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的制备过程中所用硝酸镍溶液为0.01mol/L，电沉积时间为15~75s。

作为本发明的一种优选技术方案，步骤(2)中所述的九水合硝酸铁和乙醇溶剂搅拌时间不超过1min。

本发明公开的一种以大肠杆菌鞭毛为生物模板制备Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜增强其光电产氢活性的方法可显著提高Fe₂O₃的光电产氢活性，减少其光生电子和空穴的复合。本发明的方法整个合成过程简单方便，易于操作，具有广泛的推广应用价值，可为规模化工业化产氢提供基础。

本发明的原理在于纯化后的大肠杆菌鞭毛生物模板包括其纳米结构以及其表面丰富的氨基羧基等官能团。

大肠杆菌是典型的革兰氏阴性菌，大小约为1~3微米，周身鞭毛，鞭毛呈长丝状，长约15~20微米，直径0.01~0.02微米，由鞭毛蛋白组成。鞭毛表面含有丰富的氨基羧基官能团，能够与金属离子进行配位，鞭毛可自组装成螺旋或管状结构，并且在较高的温度以及较宽的PH范围内保持不变，具有较好的结构稳定性，因此大肠杆菌鞭毛能够作为生物模板。

附图说明

图1为制备的Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的扫描电子显微镜图片；

图2为制备的Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的粉末X射线衍射图；

图3为制备的Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的循环伏安曲线；

图4为制备的Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的斩光计时电流曲线；

图5为制备的Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的电化学阻抗谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

具体实施案例：

一种以大肠杆菌鞭毛为生物模板制备Fe₂O₃纳米粒子的方法。

本例所用实验药品为：

九水硝酸铁（分析纯），购于上海国药集团化学试剂有限公司；

硝酸镍（分析纯），购于上海国药集团化学试剂有限公司；

无水乙醇，购于天津永大化学试剂有限公司；

本例具体步骤如下，

表1. PBS 缓冲溶液的成分组成

表2.LB 培养基成分组成

（1）大肠杆菌的培养：

LB培养基的配置

如表2的LB 培养基成分组成所示，准确称量定量的蛋白胨、酵母膏、NaCl，分别置于1000mL烧杯中，放入少量超纯水，加热溶解，之后将剩余超纯水加入。测量所制取的溶液pH值，用0.5M的NaOH、HCl溶液调节至溶液pH为7.2～7.4。采用多层纱布趁热过滤，除去不溶性杂质。将滤液使用500mL锥形瓶分装，每瓶溶液少于锥形瓶容积的1/2。用橡胶塞塞紧瓶口，瓶口用报纸包扎（防止水蒸汽冷凝将污染橡胶塞）。将包装好的锥形瓶置于高压蒸汽灭菌锅内，在 0.1MPa，121℃，条件下灭菌30min。超净工作台采用紫外灯灭菌1h，将高压蒸汽灭菌后的溶液放入超净工作台，冷却至室温，得LB 培养基。

大肠杆菌的培养及其鞭毛的制取

在灭完菌的超净工作台中接种大肠杆菌的菌液，轻轻震荡锥形瓶，使菌液分散均匀，然后于恒温振荡培养箱中 28℃，121r/min 的条件下培养 24h。

离心：于离心杯中将培养完毕的大肠杆菌菌液置于离心机上离心，转速 4000r/min，时间15min。

大肠杆菌的纯化和鞭毛的制取：如表1所述 PBS 缓冲溶液的成分组成制备pH为7.2~7.4的PBS 缓冲溶液，配制之后于高压灭菌锅中灭菌30min，本次取100mL。将离心后的大肠杆菌加入已灭菌的pH为7.2~7.4的PBS 缓冲液分散，然后于离心机中以 4000r/min离心 10min从而去除杂质，然后将弃掉上清液所得的大肠杆菌再次加入所述PBS 缓冲溶液分散，然后于离心机中以 8000r/min离心 10min从而去除杂质，然后将弃掉上清液所得的大肠杆菌加蒸馏水涡旋分散，然后于离心机中以10000r/min离心15min取上清液即得浓度不低于5*10¹⁰个/ml的鞭毛溶液。

（2）α-Fe₂O₃薄膜的制备

金属钛箔（纯度99.9%）裁剪成0.2 mm *2 cm *3.5 cm规格，用240目砂纸双面打磨之后用超纯水洗净，自然晾干备用。以无水乙醇（AR）为溶剂，配置Fe(NO₃)₃·9H₂O（AR）的乙醇溶液，作为沉积液，用金属钛箔为基底进行电化学沉积。利用DYY-10C电泳仪（北京市六一仪器厂）为直流电源，在恒电流模式（50mA）下进行电化学沉积。取两片处理钛箔作为阴阳两极，间距2cm。电化学沉积池为50mL烧杯（内盛40>

（3） α-Fe₂O₃/大肠杆菌/Ni(OH)₂薄膜的制备：

取步骤（2）中制备的氧化铁薄膜，在氧化铁薄膜表面刮涂60ul鞭毛溶液，保证刮涂均匀并常温晾干，晾干后在该薄膜上电沉积氢氧化镍，沉积液为0.01mol/L的硝酸镍50ml，沉积。沉积过程中，电压20V,电流10mA，时间25s。制备完成后于烘箱中100℃条件下烘干一小时即得α-Fe₂O₃/大肠杆菌/Ni(OH)₂薄膜。

（4）Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的光电化学测试

图1为制备的Fe₂O₃/大肠杆菌鞭毛/Ni(OH)₂薄膜的扫描电子显微镜图，从图2我们可以发现不论是氢氧化镍还是鞭毛都没有对其原来的结构造成破坏。

将制备好的样品薄膜进行光电化学活性的测试，该测试在电化学工作站三电极体系下完成，所制备的样品薄膜为工作电极，银-氯化银电极为参比电极，铂丝电极为对电极，0.5mol/L的NaOH溶液为电解液。测试其有光条件下的循环伏安曲线，该图看出加入大肠杆菌鞭毛后其氢氧化镍的还原峰显著减小，如图3所示；斩光计时电流曲线可以看出加入大肠杆菌鞭毛样品其催化活性显著升高，如图4；通过测试其所示电化学阻抗谱可以得到加入大肠杆菌鞭毛样品其空穴在氢氧化镍/电解质界面处的传递阻力显著降低，如图5所示。

综合以上表征发现，该样品薄膜能够降低界面传输阻力从而提高其光电产氢效率。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的但不限于具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。