專利名稱：功能化石墨烯氧化物吸附酶誘導合成TiO<sub>2</sub>-ZnO的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用生物酶大分子在生物體外仿生礦化得到二元金屬氧化物(TiO2-ZnO)的制備方法，屬于生物仿生礦化技術領域和納米材料技術領域。
背景技術：
隨著社會的高速發展，日益嚴重的能源供需及環境污染已經成為制約社會發展的瓶頸，因此亟待需要開發新能源、發明新材料。但是傳統的制備無機材料的方法又會對環境造成一定的污染，因此相較于傳統的制備無機材料的方法，源于生物礦化理念的生物分子在溫和條件下誘導體外合成各種無機材料為我們提供了一種綠色節能的新型合成路徑。因此研究人員希望利用生物分子(如蛋白質(包括酶)，肽等)在生物體外誘導合成那些不能在自然界中礦化的但卻用處廣泛的金屬氧化物如Ti02、Zn0等。在這些材料中，二氧化鈦和氧化鋅在光催化劑、光伏電池、太陽能電池以及傳感器方面有潛在的應用，但是單一的材料難以滿足近乎苛刻的應用要求，因此制備二氧化鈦和氧化鋅的復合材料成為我們研究的重要對象。利用特定的生物大分子-溶菌酶和尿素酶，在生物體外溫和條件下 分別誘導鈦源和鋅源的前驅體水溶液發生水解和催化反應，從而在室溫下得到具有一定形貌晶型結構的TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。
發明內容
本發明提出了一種首先利用生物大分子(溶菌酶，Loy)吸附在功能化石墨烯氧化物(SG - G0)上作為復合模板，其次誘導有機鈦(二(2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦，T1-BALDH))前驅體水溶液水解生成TiO2的過程中將尿素酶包埋在其中，再次在室溫下加入尿素(Urea)，使得在尿素酶(Urease)的作用下分解尿素，從而提供局部高堿性環境，將鋅源(Zn(NO3)2)前驅體在尿素酶附近中礦化得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。包括以下步驟:(I)在室溫、大氣壓條件下，將溶劑綠(8-羥基-1,3，6-芘三磺酸三鈉鹽，SG)溶于水，一般濃度為0.05 5g/L ；同時將石墨烯氧化物加入水中，濃度為0.05 5g/L，然后將溶劑綠水溶液加入到石墨烯氧化物中，溶劑綠通過堆疊作用吸附在石墨烯氧化物上，磁力攪拌12h后，用去離子水離心洗滌掉殘余的溶劑綠，得到功能化石墨烯氧化物(SG-G0);溶劑綠水溶液加入到石墨烯氧化物中時，一般溶劑綠和石墨烯氧化物的質量比為1:(0.I 10)。(2)將溶菌酶溶于水中，其濃度為0.1 50g/L，將步驟(I)的功能化石墨烯氧化物(SG-GO)加入水，功能化石墨烯氧化物的濃度為0.05 5g/L，將溶菌酶水溶液與功能化石墨烯氧化物水溶液混合，溶菌酶(Loy)通過靜電引力作用吸附在功能化石墨烯氧化物(SG -G0)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉殘余的溶菌酶，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板(GO-SG-Loy)，將溶菌酶水溶液與功能化石墨烯氧化物水溶液混合時，一般溶菌酶與功能化石墨烯氧化物的質量比為(I 10):(1-5)；
(3)將步驟(2)中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板(GO-SG-Loy)在室溫下加入去離子水中，待超聲均勻后，一般濃度為0.05 25g/L，將有機鈦((2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦，T1-BALDH))前驅體與尿素酶的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板(GO-SG-Loy)溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉殘余的有機鈦(T1-BALDH)，一般有機鈦((2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦，T1-BALDH))前驅體與尿素酶的混合溶液中有機鈦前驅體的濃度為0.5 150g/L,尿素酶的濃度為
0.1 50g/L，復合軟模板(GO-SG-Loy)與有機鈦和尿素酶的質量比例一般為1: (I 50):(0.1 5)。(4)將步驟(3)中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物分散于水中，一般濃度為0.1 50g/L，逐滴加入尿素水溶液，尿素水溶液濃度為0.01 20g/L，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后，加入硝酸鋅水溶液，濃度為0.01 50g/L，磁力攪拌20min后，用去離子水洗滌離心，80°C真空烘箱烘干，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物，一般尿素、硝酸鋅與二氧化鈦包埋尿素酶的中間產物的質量比為1: (0.1 20): (I 50)。與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:⑴本發明的條件溫和，為室溫、大氣壓、水溶液、中性、無腐蝕化學添加劑。⑵步驟(I)中石墨烯氧化物與溶劑綠在水溶液中通過31-JI堆疊作用，在增加石墨烯氧化物表面的負電荷外，使得負電基團更加均一化，從而形成功能化石墨烯氧化物。⑶步驟(3)中溶菌酶在與有機鈦和尿素酶混和液前驅體反應，生成二氧化鈦的同時，將尿素酶包埋在二氧化鈦中，從而為進行下步催化尿素，提供局域高堿性環境提供有利的條件。啟發我們，可以通過包埋不同的前驅體，獲得相應的二元復合物。
圖1是實施例6制備的各步中間產物的zeta電位圖譜見圖1 ;圖2是實施例6制備的步驟4.中制備的目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物的XRD粉末衍射圖譜；圖3是實施例6制備的步驟4.中制備的目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物的透射電鏡圖譜；圖4是實施例6制備的步驟4.中目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物的EDS能譜圖譜。
具體實施例方式實施例1
1.在溫和環境下將5mL溶劑綠(8-羥基-1,3，6-芘三磺酸三鈉鹽，SG，0.5g/L)通過J1-Ji堆疊作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0, 0.5g/L)上,磁力攪拌12h后,用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的溶劑綠，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.將20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述溫和環境下通過靜電引力作用吸附在步驟
1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG- G0, 0.5g/L)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的Loy，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板。3.將步驟2.中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板在上述溫和環境條件下分散在一定量的去離子水中，待超聲均勻后，將一定濃度下的5mL有機鈦(22g/L)前驅體與IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的有機鈦，反復進行3次。4.向步驟3.中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物中逐滴加入一定濃度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后,加入一定濃度IOmL硝酸鋅(0.5g/L),磁力攪拌20min后,用去離子睡洗漆離心，反復進行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，裝樣，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。實施例21.在溫和環境下將IOmL溶劑綠(8_羥基_1，3，6_芘三磺酸三鈉鹽，SG, 0.5g/L)通過J1-Ji堆疊作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力攪拌12h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的溶劑綠，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.將20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述溫和環境下通過靜電引力作用吸附在步驟1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的Loy，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板(GO-SG-Loy)。3.將步驟2.中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板在上述溫和環境條件下分散在一定量的去離子水中，待超聲均勻后，將一定濃度下的5mL有機鈦(22g/L)前驅體與IOmL尿素酶(Urease，lg /L)的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的有機鈦，反復進行3次。4.向步驟3.中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物中逐滴加入一定濃度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后,加入一定濃度IOmL硝酸鋅(0.5g/L),磁力攪拌20min后,用去離子睡洗漆離心，反復進行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，裝樣，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。實施例31.在溫和環境下將20mL溶劑綠(8_羥基_1，3，6_芘三磺酸三鈉鹽，SG, 0.5g/L)通過J1-Ji堆疊作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力攪拌12h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的溶劑綠，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.將20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述溫和環境下通過靜電引力作用吸附在步驟1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的Loy，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板(GO-SG-Loy)。3.將步驟2.中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板在上述溫和環境條件下分散在一定量的去離子水中，待超聲均勻后，將一定濃度下的5mL有機鈦(22g/L)前驅體與IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的有機鈦，反復進行3次。4.向步驟3.中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物中逐滴加入一定濃度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后,加入一定濃度IOmL硝酸鋅(0.5g/L),磁力攪拌20min后,用去離子睡洗漆離心，反復進行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，裝樣，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。實施例41.在溫和環境下將5mL溶劑綠(8-羥基-1,3，6-芘三磺酸三鈉鹽，SG，0.5g/L)通過J1-Ji堆疊作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0, 0.5g/L)上,磁力攪拌12h后,用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的溶劑綠，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.將20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述溫和環境下通過靜電引力作用吸附在步驟1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的Loy，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板(SG - GO-Loy)ο3.將步驟2.中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板在上述溫和環境條件下分散在一定量的去離子水中，待超聲均勻后，將一定濃度下的5mL有機鈦(22g/L)前驅體與IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的有機鈦，反復進行3次。4.向步驟3.中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物中逐滴加入一定濃度的20mL尿素(l g/L)，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后,加入一定濃度20mL硝酸鋅(0.5g/L),磁力攪拌20min后,用去離子睡洗漆離心，反復進行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，裝樣，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。實施例51.在溫和環境下將IOmL溶劑綠(8_羥基_1，3，6_芘三磺酸三鈉鹽，SG, 0.5g/L)通過J1-Ji堆疊作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力攪拌12h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的溶劑綠，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.將20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述溫和環境下通過靜電引力作用吸附在步驟
1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的Loy，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板(SG - GO-Loy)ο3.將步驟2.中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板在上述溫和環境條件下分散在一定量的去離子水中，待超聲均勻后，將一定濃度下的5mL有機鈦(22g/L)前驅體與IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的有機鈦，反復進行3次。
4.向步驟3.中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物中逐滴加入一定濃度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后,加入一定濃度20mL硝酸鋅(0.5g/L),磁力攪拌20min后,用去離子睡洗漆離心，反復進行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，裝樣，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。實施例61.在溫和環境下將20mL溶劑綠(8_羥基-1，3，6_芘三磺酸三鈉鹽，SG, 0.5g/L)通過J1-Ji堆疊作用吸附在20mL石墨烯氧化物(G0，0.5g/L)上，磁力攪拌12h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的溶劑綠，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物。2.將20mL溶菌酶(Loy，lg/L)在上述溫和環境下通過靜電引力作用吸附在步驟
1.中的20mL功能化石墨烯氧化物(SG -G0, 0.5g/L)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的Loy，反復進行3次，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板(SG - GO-Loy)ο3.將步驟2.中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板在上述溫和環境條件下分散在一定量的去離子水中，待超聲均勻后，將一定濃度下的5mL有機鈦(22g/L)前驅體與IOmL尿素酶(Urease，lg/L)的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉溶液中殘余的有機鈦，反復進行3次。4.向步驟3.中二·氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物中逐滴加入一定濃度的20mL尿素(lg/L)，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后,加入一定濃度20mL硝酸鋅(0.5g/L)，磁力攪拌20min后,用去離子睡洗漆離心，反復進行3次，80度真空烘箱烘干4h。研磨，裝樣，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金
屬氧化物。實施例6中制備的各步中間產物的zeta電位圖譜見圖1 ;步驟4.中制備的目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物的XRD粉末衍射圖譜見圖2 ;步驟4.中制備的目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物的透射電鏡圖譜見圖3 ;步驟4.中目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物的EDS能譜圖見圖4。
權利要求
1.功能化石墨烯氧化物吸附酶誘導合成TiO2-ZnO的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)在室溫、大氣壓條件下，將溶劑綠(8-羥基-1，3，6-芘三磺酸三鈉鹽，SG)溶于水，同時將石墨烯氧化物加入水中，然后將溶劑綠水溶液加入到石墨烯氧化物中，溶劑綠通過π-π堆疊作用吸附在石墨烯氧化物上，磁力攪拌12h后，用去離子水離心洗滌掉殘余的溶劑綠，得到功能化石墨烯氧化物(SG - G0)； (2)將溶菌酶溶于水中，將步驟(I)的功能化石墨烯氧化物(SG-GO)加入水中，將溶菌酶水溶液與功能化石墨烯氧化物水溶液混合，溶菌酶(Loy)通過靜電引力作用吸附在功能化石墨烯氧化物(SG - G0)上，磁力攪拌0.5h后，用去離子水離心洗滌掉殘余的溶菌酶，得到功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合軟模板(GO-SG-Loy)； (3)將步驟(2)中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板(GO-SG-Loy)在室溫下加入去離子水中，待超聲均勻后，將有機鈦((2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦，T1-BALDH))前驅體與尿素酶的混合溶液逐滴滴入到上述復合軟模板(GO-SG-Loy)溶液中，在生成二氧化鈦的同時將尿素酶包埋在其中，用去離子水離心洗滌掉殘余的有機鈦(T1-BALDH)； (4)將步驟(3)中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物分散于水中，逐滴加入尿素水溶液，使得尿素酶催化尿素水解，從而提供局域高堿性環境，攪拌IOmin后，加入硝酸鋅水溶液，磁力攪拌20min后，用去離子水洗滌離心，80°C真空烘箱烘干，即可得到目標產物TiO2-ZnO 二元金屬氧化物。
2.按照權利要求1的方法，其特征在于，步驟(I)溶劑綠溶于水，濃度為0.05 5g/L ；石墨烯氧化物加入水中，濃度為0.05 5g/L ;溶劑綠水溶液加入到石墨烯氧化物中時，溶劑綠和石墨烯氧化物的質量比為1:(0.1 10)。
3.按照權利要求1的方法，其特征在于，步驟(2)菌酶溶于水中，其濃度為0.1 50g/L ;步驟(I)的功能化石墨烯氧化物(SG-GO)加入水，功能化石墨烯氧化物的濃度為0.05 5g/L ;將溶菌酶水溶液與功能化石墨烯氧化物水溶液混合時，溶菌酶與功能化石墨烯氧化物的質量比為(I 10):(1-5)。
4.按照權利要求1的方法，其特征在于，步驟(3)將步驟(2)中的功能化石墨烯氧化物與溶菌酶的復合物模板(GO-SG-Loy)在室溫下加入去離子水中，濃度為0.05 25g/L ;—般有機鈦((2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦，T1-BALDH))前驅體與尿素酶的混合溶液中有機鈦前驅體的濃度為0.5 150g/L，尿素酶的濃度為0.1 50g/L，復合軟模板(GO-SG-Loy)與有機鈦和尿素酶的質量比例為1: (I 50): (0.1 5)。
5.按照權利要求1的方法，其特征在于，步驟(4)中將步驟(3)中二氧化鈦包埋尿素酶(GO-SG-TiO2-Urease)的中間產物分散于水中，濃度為0.1 50g/L ;尿素水溶液濃度為0.01 20g/L ;硝酸鋅水溶液濃度為0.01 50g/L。
6.按照權利要求1的方法，其特征在于，步驟(4)中尿素、硝酸鋅與二氧化鈦包埋尿素酶的中間產物的質量比為I: (0.1 20): (I 50)。
全文摘要
功能化石墨烯氧化物吸附酶誘導合成TiO2-ZnO的方法，屬于生物仿生礦化技術領域和納米材料技術領域。先利用生物大分子(溶菌酶，Loy)吸附在功能化石墨烯氧化物(SG-GO)上作為復合模板，其次誘導有機鈦(二(2-羥基丙酸)二氫氧化二銨合鈦)前驅體水溶液水解生成TiO2的過程中將尿素酶包埋在其中，再次在室溫下加入尿素(Urea)，使得在尿素酶(Urease)的作用下分解尿素，從而提供局部高堿性環境，將鋅源(Zn(NO3)2)前驅體在尿素酶附近中礦化得到目標產物TiO2-ZnO二元金屬氧化物。將尿素酶包埋在二氧化鈦中，從而為進行下步催化尿素，提供局域高堿性環境提供有利的條件。
文檔編號C12P3/00GK103194491SQ20131009613
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月25日 優先權日2013年3月25日
發明者郝波, 王嘯波, 陳戈 申請人:北京工業大學