一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，属于光催化领域。该方法首先利用噬菌体展示技术筛选具有特异性吸附和成核能力的多肽，然后通过基因改造技术将其在特定微生物的衣壳蛋白上表达，最后以改造后的微生物为模板分别放入光催化材料和助催化负载材料的溶胶中制备复合光催化材料。采用本发明专利技术所述的一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，可以实现大批量纳米复合光催化材料的制备，制备过程纳米级可控，有效提高光催化效率。

A Method for Preparation of Composite Photocatalytic Materials Based on Microbial Template

The invention discloses a preparation method of Composite Photocatalytic Material Based on microbial template, which belongs to the field of photocatalysis. In this method, polypeptides with specific adsorption and nucleation ability were screened by phage display technology, and then expressed on capsid protein of specific microorganisms by gene modification technology. Finally, the modified microorganisms were used as templates to prepare composite photocatalyst by adding photocatalytic materials and sol supported materials respectively. Chemical materials. The preparation method of a composite photocatalytic material based on a microbial template can realize the preparation of a large number of nanocomposite photocatalytic materials, the preparation process is nano-controllable, and the photocatalytic efficiency is effectively improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法
本专利技术涉及光催化领域，特别是涉及一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法。
技术介绍
21世纪，能源和环境是人类面临和亟待解决的两大重要问题。光催化技术因能耗低、无二次污染等优点成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术，被广泛应用于能源、水或空气净化、医疗卫生和国防军事等领域。具有零维或一维纳米结构的多元复合光催化材料，可以有效降低光生电子-空穴对复合速率、提高表面催化反应速度和增加宽带隙光催化材料光谱吸收范围，成为提高光催化效率的重要手段。专利CN105363477A中采用蒸发诱导自组装和光沉积法制备出银-硫化镉-二氧化钛三元复合光催化材料，该方法采用研磨工艺制备粉体复合材料，难以获得尺寸均一、形貌规则的纳米材料。此外，专利CN105498802A中通过电化学沉积和光沉积过程，制备得到了具有一维纳米棒阵列结构的氧化锌-金-硫化镉三元复合型光催化材料，该方法难以实现氧化锌-硫化镉半导体异质结以及金纳米颗粒大小、负载位点的纳米级可控，易造成异质结重叠和金纳米颗粒聚集等问题。目前的制备方法难以最大限度发挥复合光催化材料各组分之间的耦合协同作用，因此有必要探索一种新的纳米级可控的复合光催化材料制备方法。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，其合成方法纳米级可控，可以最大程度发挥复合光催化材料各组分之间的耦合协同作用，提高光催化效率。为达到上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，包括下列步骤：(a)利用噬菌体展示技术分别筛选对光催化材料和助催化负载材料具有特异性吸附和成核能力的多肽；(b)利用基因改造技术将具有特异性吸附和成核能力的多肽在特定微生物上表达；(c)将改造后的微生物放入光催化材料的溶胶中，以微生物为模板进行光催化材料的纳米合成，离心沉淀并清洗。；(d)再将合成光催化材料后的微生物放入助催化负载材料的溶胶中，以微生物为模板进行助催化负载材料的纳米合成，沉淀并清洗，形成所需的复合光催化材料。上述步骤(a)中的光催化材料为具有光催化作用的半导体，如TiO2、ZnO、WO3、Fe2O3或CdS。上述步骤(a)中的助催化负载材料为贵金属、金属氧化物或半导体，贵金属如Au、Pt、Pd或Ag，金属氧化物如Co3O4、RuO2或IrO2，半导体如CdS、ZnO、WO3、Fe2O3、TiO2或NiO，半导体与光催化材料形成同型异质结，如Ti02-Fe2O3、Ti02-CdS，或异型异质结，如Ti02-NiO。上述步骤(a)中的多肽是由2个以上的氨基酸组成。上述步骤(b)中的微生物为具有特定纳米结构的病毒，如M13噬菌体、烟草花叶病毒或豇豆褪绿斑驳病毒。上述步骤(b)中的多肽表达在微生物的衣壳蛋白上，如M13噬菌体的PⅧ蛋白和PⅢ蛋白或烟草花叶病毒的衣壳蛋白。上述步骤(d)中的复合光催化材料的尺寸主要由微生物模板类型和纳米组装工艺参数确定。相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：光催化过程主要包括三个步骤：光照下光催化材料中电子-空穴对的产生、光生载流子的分离传输以及光催化材料表面电荷的催化反应。对于给定的光催化材料，制约光催化效率提高的主要因素就是光生电子-空穴对的复合和较低的表面催化反应速度。零维结构的纳米球和一维结构的纳米纤维或纳米管具有比表面积高、光生载流子扩散距离短和光散射特性等优点，可以减少光生载流子复合、提高光催化效率。多元纳米材料可以集成性能差异的不同组分，并在纳米尺度上使各组分之间产生强协同作用。贵金属纳米颗粒与光催化材料复合，其表面等离子共振作用有助于增强光催化材料在紫外-可见-近红外光谱范围内的光吸收，同时贵金属纳米颗粒可以充当电子收集器促进光生电子-空穴对的分离，但是贵金属纳米颗粒的不均匀分布会减小贵金属纳米颗粒聚集区域光催化材料的光敏面积，同时在其他空隙区域无法获得贵金属纳米颗粒的增强作用；金属氧化物与光催化材料复合，可以提高氧化活性和表面催化反应速度，金属氧化物的有序可控分布可以最大限度的发挥其助催化作用；不同禁带宽度光催化材料复合，可以形成半导体异质结，使宽带隙光催化材料吸收光谱发生红移，将其对光的响应范围扩展到可见光区，从而提高光催化效率，但是半导体异质结的重叠只能实现光催化效率局部增强。利用微生物模板进行复合光催化材料的合成，反应条件温和，微生物具有特殊的纳米结构且是以微生物的衣壳蛋白为最小合成单元，不仅可以获得具有良好分散性、尺寸均一的零维纳米颗粒和一维纳米线或纳米管，还可以同时实现多元材料的纳米级可控合成，有效的防止贵金属纳米颗粒、金属氧化物和半导体异质结的聚集重叠，最大限度发挥复合光催化材料的多元耦合作用，提高光催化效率。附图说明图1是M13噬菌体结构示意图。图2是实施例一中M13噬菌体经过基因改造后的结构示意图。图3是以M13噬菌体为生物模板最终合成的二元复合光催化材料结构示意图。图4是实施例二中M13噬菌体经过基因改造后的结构示意图。图5是以M13噬菌体为生物模板最终合成的三元复合光催化材料结构示意图。图中标号名称：1、M13噬菌体PⅧ蛋白，2、M13噬菌体PⅢ蛋白，3、多肽Ⅰ，4、多肽Ⅱ，5、光催化材料，6、助催化负载材料Ⅰ，7、多肽Ⅲ，8、助催化负载材料Ⅱ。具体实施方式下面结合图1、图2、图3、图4和图5对本专利技术的具体实施过程做进一步说明。实施例一本实施例采用二氧化钛为光催化材料5、Au为助催化负载材料Ⅰ6、M13噬菌体为生物模板，M13噬菌体结构如图1所示。复合光催化材料的具体制备流程为：1)利用噬菌体展示技术筛选对光催化材料二氧化钛5具有特异性吸附和成核能力的多肽Ⅰ3以及对助催化负载材料ⅠAu6具有特异性吸附和成核能力的多肽Ⅱ4；2)利用基因改造技术将具有特异性吸附和成核能力的多肽Ⅰ3在M13噬菌体的PⅧ蛋白1上表达，将具有特异性吸附和成核能力的多肽Ⅱ4在M13噬菌体的PⅢ蛋白2上表达，其结构如图2所示；3)将25mL基因改造后浓度为5×1013pfu/mL的噬菌体PBS缓冲液溶液加入到500mL浓度为1mL/L的钛酸四丁酯乙醇溶液中，同时剧烈搅拌，过夜反应，光催化材料二氧化钛5在多肽Ⅰ3上吸附并成核生长，产物M13噬菌体-二氧化钛在3000rpm离心沉淀，并用无水乙醇进行多次冲洗，最后用PBS缓冲液再溶解稀释至5×1013pfu/mL；4)金溶胶制备：将10mgHAuCl4溶于100ml水中，加热至沸腾，50mg柠檬酸钠溶于5ml水中，加入到上述沸腾液中，同时剧烈搅拌，混合溶液在沸腾状态下反应30min，合成的金溶胶在4℃保存。将M13噬菌体-二氧化钛溶液与金溶胶混合，黑暗条件下在4℃孵育12小时，助催化负载材料ⅠAu6在多肽Ⅱ4上吸附并成核生长，最终产物M13噬菌体-二氧化钛-Au用标准的聚乙二醇和氯化钠溶液沉淀，其结构如图3所示。实施例二本实施例采用二氧化钛为光催化材料5、Au为助催化负载材料Ⅰ6和硫化镉为助催化负载材料Ⅱ8、M13噬菌体为生物模板，M13噬菌体结构如图1所示。复合光催化材料的具体制备流程为：1)利用噬菌体展示技术筛选对光催化材料二氧化钛5具有特异性吸附和成核能力的多肽Ⅰ3，对助催化负载本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，其特征在于，包括下列步骤：(a)利用噬菌体展示技术分别筛选对光催化材料和助催化负载材料具有特异性吸附和成核能力的多肽；(b)利用基因改造技术将具有特异性吸附和成核能力的多肽在特定微生物上表达；(c)将改造后的微生物放入光催化材料的溶胶中，以微生物为模板进行光催化材料的纳米合成，离心沉淀并清洗。；(d)再将合成光催化材料后的微生物放入助催化负载材料的溶胶中，以微生物为模板进行助催化负载材料的纳米合成，沉淀并清洗，形成所需的复合光催化材料。

【技术特征摘要】
1.一种基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，其特征在于，包括下列步骤：(a)利用噬菌体展示技术分别筛选对光催化材料和助催化负载材料具有特异性吸附和成核能力的多肽；(b)利用基因改造技术将具有特异性吸附和成核能力的多肽在特定微生物上表达；(c)将改造后的微生物放入光催化材料的溶胶中，以微生物为模板进行光催化材料的纳米合成，离心沉淀并清洗。；(d)再将合成光催化材料后的微生物放入助催化负载材料的溶胶中，以微生物为模板进行助催化负载材料的纳米合成，沉淀并清洗，形成所需的复合光催化材料。2.一种如权利要求1中所述的基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中的光催化材料为具有光催化作用的半导体，如TiO2、ZnO、WO3、Fe2O3或CdS。3.一种如权利要求1中所述的基于微生物模板的复合光催化材料制备方法，其特征在于，所述步骤(a)中的助催化负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：马炳和，罗剑，王冠，毕珍，李博源，邓进军，苑伟政，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61