郭必泛，洪秋林，陳樂瑞，陳世良

(杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州 310018)

石墨烯(GR)是由單層碳原子通過sp2雜化緊密堆砌而成的二維層狀材料，具有導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)異的性能[1-2]，在許多方面均具有潛在的應(yīng)用價值. 由于GR片層之間存在強(qiáng)烈的π-π堆積作用[3-4]，極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，這將導(dǎo)致其使用性能大幅下降.研究者通過Hummers法[5]將石墨烯制備成氧化石墨烯，并通過各種方法將其分散在高分子載體材料中[6-9]，有效地減少了GR分子間的團(tuán)聚. 但是，這種方法制備條件苛刻、步驟繁瑣，且在較大程度上破壞了GR的規(guī)整結(jié)構(gòu). 尋找實(shí)驗(yàn)條件溫和且簡單易行的GR分散技術(shù)是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.另一方面，載體材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)也顯著影響GR的分散性能.細(xì)菌纖維素(Bacterial cellulose，BC)由于具有超高比表面積、獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)和多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)[10-11]，被廣泛用作銀納米粒子、茶多酚、碳納米管等物質(zhì)的載體[12-14]，將其作為GR分散的載體，也有望獲得良好的效果.

本文探究通過簡單的原位生物合成技術(shù)，在無需化學(xué)處理的情況下，將GR分散到具有超高比表面積和獨(dú)特3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的BC中，一步法制備得到石墨烯/細(xì)菌纖維素復(fù)合材料(GR/BC). 采用單因素法分析GR/BC產(chǎn)量和GR包覆率的影響因素，采用FESEM分析了GR/BC的表面形貌和GR的分散情況，采用四探針電阻率測試儀測試了GR包覆率對GR/BC復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

木醋桿菌，BNCC336985，北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究所；石墨烯(0.4—0.5 wt%)，Aladdin試劑(上海)有限公司；酵母浸膏，分析純，生工生物股份有限公司； 葡萄糖，分析純，生工生物股份有限公司；蛋白胨，分析純，生工生物股份有限公司；無水乙醇，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；GR/BC膜，實(shí)驗(yàn)室自制.手提式壓力蒸汽滅菌器，YXQ-G46-280S，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9146A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；場發(fā)射掃描電子顯微鏡，Hitachi S-4200，日本 Hitachi 公司；四探針電阻率測試儀，ST2253，蘇州晶格電子有限公司；超聲波清洗器，KQ-250DE，昆山市超聲儀器有限公司；半微量天平，EX1035A，天津市德安特傳感技術(shù)有限公司；多管架自動平衡離心機(jī)，TDZ5-WS，長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司；紫外-可見分光光度計(jì)，SP-1900UV，上海光譜儀器有限公司；萬能夾具式搖床，HY-8，常州金壇中旺儀器制造有限公司.

1.2 GR/BC的制備

配制含葡萄糖1.2 g，酵母浸膏0.15 g，蛋白胨0.15 g，乙醇300 μL，蒸餾水30mL的培養(yǎng)液[15-16]于100 mL的錐形瓶中，在121 ℃下高壓殺菌20 min，調(diào)節(jié)溶液pH=6.5，再加入一定量的石墨烯分散液，超聲分散30 min， 25 ℃恒溫靜置培養(yǎng)數(shù)天. 將復(fù)合膜取出，在濃度為0.10 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 h，再用去離子水洗滌3次，置于50 ℃烘箱干燥至恒重，保存在樣品袋中.

1.2.1 GR/BC產(chǎn)率的計(jì)算

將制備得到的GR/BC于50 ℃干燥至恒重，稱其質(zhì)量為m1(g)，培養(yǎng)液體積計(jì)為V( L) ，產(chǎn)率R1(g/L)計(jì)算方式如式(1)：

(1)

1.2.2 GR/BC中GR包覆率的計(jì)算

稱取一定量已干燥的GR/BC樣品，其質(zhì)量計(jì)為m0(g)，置于錐形瓶中，加入一定量的硝酸溶液，60 ℃下消解反應(yīng)6 h. 離心分離，將沉淀物(石墨烯)轉(zhuǎn)至表面皿， 50 ℃ 下干燥至恒重，稱量石墨烯的質(zhì)量為m2(mg)，包覆率R2計(jì)算方式如式(2)：

(2)

1.3 材料表征

1.3.1 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)測試

剪取約1 cm×1 cm的GR/BC樣品，經(jīng)液氮冷凍干燥后用導(dǎo)電膠將GR/BC固定于樣品臺并進(jìn)行噴金處理，設(shè)置加速電壓為15 kV，觀察GR/BC復(fù)合材料的形貌與GR的分布情況.

1.3.2 電導(dǎo)率的測定

取硅單晶電阻率標(biāo)準(zhǔn)樣片進(jìn)行矯正，矯正后取GR/BC樣品進(jìn)行測量，讓樣品在正反向電流的條件下各測10次，每次測量將樣片轉(zhuǎn)動20°～30°，共測得20個數(shù)據(jù)，取平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 GR/BC復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)

石墨烯分散液濃度自左向右分別為0 wt%,1.11 wt%,3.33 wt%,6.66 wt%和9.99 wt%.

圖1為具有不同石墨烯含量的GR/BC復(fù)合膜光學(xué)照片，圖1A為未摻入石墨烯的BC膜，其整體呈白色.隨著石墨烯的加入，經(jīng)原位生物合成的GR/BC復(fù)合膜顏色逐漸加深(圖1B—圖1E). 當(dāng)石墨烯的加入量達(dá)到6.66 wt%以上時，可觀察到GR/BC復(fù)合膜呈現(xiàn)明顯的黑色，同時其顏色分布相當(dāng)均勻，在宏觀水平上證明了石墨烯在BC中具有良好的分散性.

石墨烯/聚合物復(fù)合材料的性能很大程度上取決于石墨烯在聚合物基體中的分散情況. 筆者通過FESEM研究了GR/BC復(fù)合材料的形貌(見圖2)，細(xì)菌纖維素納米纖維之間堆積形成了三維網(wǎng)絡(luò)孔洞結(jié)構(gòu)，GR則分散于納米纖維的表面和納米纖維之間的3D網(wǎng)絡(luò)空隙內(nèi)部.同時，GR在GR/BC復(fù)合材料中的分散較為均勻，從微觀上進(jìn)一步證實(shí)BC可作為GR理想的載體材料.另一方面，可觀察到GR已形成了連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這對于制備具有良好導(dǎo)電性能的聚合物基復(fù)合材料是非常重要的.

圖2 GR/BC的場發(fā)射掃描電鏡圖Fig.2 FESEM images of GR/BC圖3 培養(yǎng)周期對GR/BC產(chǎn)量的影響Fig.3 Influence of culture period on productivity of GR/BC

2.2 制備條件對GR/BC產(chǎn)率的影響

圖3為原位生物合成培養(yǎng)時間對GR/BC產(chǎn)率的影響，前兩天為木醋桿菌的生長期，此時培養(yǎng)液中幾乎沒有觀察到膜的形成. 從第三天開始，木醋桿菌開始快速生產(chǎn)細(xì)菌纖維素，同時，石墨烯也被包裹入細(xì)菌纖維素三維網(wǎng)絡(luò)中并形成GR/BC復(fù)合膜(產(chǎn)膜期). 隨著培養(yǎng)時間的延長，GR/BC復(fù)合膜的產(chǎn)量也逐漸增加，培養(yǎng)5d后GR/BC的產(chǎn)量達(dá)到2.4 g/L. 進(jìn)一步延長培養(yǎng)時間則不會導(dǎo)致復(fù)合膜產(chǎn)量的提高. 這是由于在培養(yǎng)過程中有酸酮類物質(zhì)形成[17]，導(dǎo)致培養(yǎng)液的pH值降低，不利于木醋桿菌的生長；另一方面，培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)被不斷消耗，也阻礙了木醋桿菌合成細(xì)菌纖維素，導(dǎo)致GR/BC復(fù)合膜的產(chǎn)量基本不再變化. 因此，確定GR/BC復(fù)合膜的最佳培養(yǎng)時間為5 d.

圖4為GR/BC形成過程的光學(xué)照片. 如前文所述，前兩天為木醋桿菌的生長期[17]，此時較難在培養(yǎng)液中觀察到細(xì)菌纖維素膜的形成(圖4A).第三天后，絲狀的細(xì)菌纖維素納米纖維初步形成，將部分GR包裹固定并形成類膜狀結(jié)構(gòu)(圖4B)，該結(jié)構(gòu)較為疏松，輕微振動便可使之破壞.隨著培養(yǎng)時間的延長，完整、穩(wěn)定的GR/BC復(fù)合膜逐漸形成，培養(yǎng)液也逐漸變得清晰(圖4C，圖4D).

培養(yǎng)時間自左至右分別為2，3，4，5d

圖5為培養(yǎng)液pH值隨培養(yǎng)時間變化趨勢，當(dāng)木醋桿菌處于生長期時，培養(yǎng)液的pH值隨著培養(yǎng)時間的增加而下降；而當(dāng)木醋桿菌開始生產(chǎn)細(xì)菌纖維素時，在一段時間內(nèi)溶液的pH值基本保持不變，這段時期是GR/BC復(fù)合膜生產(chǎn)速率最快的一段時期(產(chǎn)膜期). 當(dāng)培養(yǎng)時間達(dá)到約100 h時，培養(yǎng)液的pH值又開始下降，此時GR/BC復(fù)合膜的生產(chǎn)速率也快速降低，GR/BC膜的產(chǎn)量基本不再增加，說明此時的pH值已經(jīng)不利于木醋桿菌的生產(chǎn)，這與圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

圖5 培養(yǎng)液pH值隨時間的變化Fig.5 Influence of culture time on the pH value of the solution圖6 培養(yǎng)液中石墨烯濃度對GR/BC復(fù)合膜產(chǎn)率的影響Fig.6 Influence of initial graphene concentration of productivity of GR/BC

圖6為石墨烯初始濃度對GR/BC復(fù)合膜產(chǎn)率的影響.在較低濃度時，隨著石墨烯濃度的增加，GR/BC復(fù)合膜的產(chǎn)率基本保持不變. 當(dāng)石墨烯濃度達(dá)到10 wt%以上時，進(jìn)一步提高石墨烯濃度將導(dǎo)致GR/BC產(chǎn)率明顯下降.由于石墨烯片層之間存在較強(qiáng)的相互作用[18-19]，具有發(fā)生分子間團(tuán)聚的傾向，這種趨勢隨著濃度的增加而升高，這不利于細(xì)菌纖維素的包覆；另一方面，高濃度時石墨烯可能大量覆蓋在木醋桿菌表面，阻礙其與營養(yǎng)物質(zhì)的接觸，導(dǎo)致部分木醋桿菌無法正常合成細(xì)菌纖維素，從而導(dǎo)致GR/BC復(fù)合膜產(chǎn)率大幅下降. 當(dāng)石墨烯濃度達(dá)到10 wt%以上時，這種現(xiàn)象開始變得明顯，嚴(yán)重影響GR/BC復(fù)合膜產(chǎn)量. 而當(dāng)石墨烯添加量達(dá)到16.65 wt%以上時， GR/BC復(fù)合膜無法正常形成.

2.3 石墨烯包覆率對GR/BC電導(dǎo)率的影響

圖7是石墨烯初始濃度對GR/BC復(fù)合膜中GR包覆率的影響. 從圖7中可以看出，隨著GR濃度的增加，GR包覆率逐漸上升. 進(jìn)一步增加GR濃度，將使GR包覆率顯著下降.如前文所述，當(dāng)GR加入量達(dá)到一定值后，GR的團(tuán)聚作用明顯加劇，此時GR難以被均勻摻入BC中；同時，高濃度的GR將使木醋桿菌難以接觸營養(yǎng)物質(zhì)而導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)BC. 本文選擇最佳的GR濃度為10 wt%，此時所得的GR/BC復(fù)合膜中GR包覆率可達(dá)30 mg/g以上.

圖7 石墨烯濃度對GR/BC中GR包覆率的影響Fig.7 Influence of graphene concentration ongraphene contentof GR/BC圖8 GR包覆率對GR/BC電導(dǎo)率的影響Fig.8 Effect of graphene content on electrical conductivity of GR/BC

圖8是GR包覆率對GR/BC電導(dǎo)率的影響.純BC不導(dǎo)電(數(shù)據(jù)未顯示)，而GR的引入使得GR/BC復(fù)合膜具有一定的導(dǎo)電性，且GR含量對GR/BC電導(dǎo)率有顯著的影響. 從圖8中可看出GR/BC復(fù)合膜的電導(dǎo)率隨著GR的加入而增大，當(dāng)GR包覆率達(dá)到15 mg/g以上時，GR/BC的電導(dǎo)率迅速增加，這是由于此時復(fù)合膜中的GR已開始形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖2)，當(dāng)包覆率達(dá)到25 mg/g時，GR/BC復(fù)合膜的電導(dǎo)率高達(dá)約43 S/m.進(jìn)一步增加GR包覆率，GR/BC的電導(dǎo)率稍稍增大，包覆率為30 mg/g復(fù)合膜的電導(dǎo)率約為50 S/m，這可能是由于GR/BC復(fù)合膜中已形成完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)時，繼續(xù)增加GR含量并不能使復(fù)合膜的電導(dǎo)率發(fā)生明顯的變化.

3 結(jié)論

將石墨烯分散液加入到含有葡萄糖、酵母浸膏、蛋白胨和乙醇的培養(yǎng)液中，采用原位生物合成技術(shù)、經(jīng)木醋桿菌發(fā)酵培養(yǎng)后制備得到石墨烯摻雜細(xì)菌纖維素復(fù)合膜(GR/BC). 當(dāng)培養(yǎng)液中石墨烯分散液的濃度為10 wt%時，經(jīng)過5 d培養(yǎng)后，GR/BC復(fù)合膜的產(chǎn)率達(dá)到2.4 g/L，復(fù)合膜中GR包覆率約為30 mg/g. GR/BC復(fù)合膜的電導(dǎo)率隨著石墨烯包覆率的增加而增大，含30 mg/g 石墨烯的GR/BC復(fù)合膜的電導(dǎo)率高達(dá)50 S/m.GR相互連接形成的連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)是GR/BC復(fù)合膜具有高電導(dǎo)率的主要原因.