Ag/g-C3N4納米片的制備及可見光催化抗菌性能研究

李 娟，趙 丹，管首江，劉向榮，徐秋月，馬占強

(1.洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，洛陽 471023；2.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，洛陽 471023)

0 引 言

水是人類賴以生存的“生命之源”，獲得安全的飲用水是人類生存的基本要求。飲用水中的細菌嚴重威脅著人類健康，細菌超標的飲用水可導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生，飲用水的殺菌消毒是維持人類健康的必然要求。目前常用的飲用水消毒殺菌劑有液氯、氯胺、二氧化氯、紫外線、臭氧等[1-3]。飲用水采用液氯消毒后，會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物三氯甲烷，而三氯甲烷是具有致癌、致畸、致突變的“三致”物質(zhì)，使得人類健康面臨潛在威脅[4]。氯胺消毒生成的副產(chǎn)物較少，但其消毒能力較弱。二氧化氯與有機物的反應(yīng)是選擇性的[5]，消毒副產(chǎn)物少，且殺菌能力強，消毒速度快，持續(xù)時間長，適用水質(zhì)范圍廣，但消毒成本高，且在水中的穩(wěn)定性較差。紫外線消毒不會在飲用水中引入其它雜質(zhì)，避免產(chǎn)生有害的消毒副產(chǎn)物，但其不具有持續(xù)消毒能力，離開紫外線后易產(chǎn)生微生物復(fù)活的問題。臭氧是一種廣譜高效的殺菌消毒劑，但其工程實踐中需現(xiàn)場制備，同時還會產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物溴酸根離子，影響人類的健康。

2009年，Wang等[10]首次在NatureMaterials上發(fā)表了關(guān)于石墨相氮化碳(g-C3N4)在光解水制氫方面的研究，從而引發(fā)了光催化領(lǐng)域?qū)-C3N4的研究熱潮。g-C3N4是由C、N兩種元素以sp2雜化形成共價鍵，并具有大π共軛體系的高分子聚合物，由于獨特的分子結(jié)構(gòu)，g-C3N4具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[11]。目前以含氮化合物(氰胺、雙氰胺、三聚氰胺、尿素等)為前驅(qū)體的高溫?zé)峋酆戏ㄊ亲顝V泛應(yīng)用的制備g-C3N4的方法[12-15]，但制得的g-C3N4存在比表面積較小、可見光響應(yīng)的范圍較窄、光生電子和空穴的分離效率較低等缺陷，大大制約了其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。貴金屬沉積是提高半導(dǎo)體光生載流子分離效率的有效方法之一，其中Ag/g-C3N4的相關(guān)研究吸引了眾多研究者的目光，但目前此領(lǐng)域的研究主要集中在高溫?zé)峋酆现苽涞捏w相g-C3N4的基礎(chǔ)上通過不同的還原方法負載Ag顆粒[16-18]。本文擬利用g-C3N4獨特的類似石墨的二維層狀結(jié)構(gòu)，首先將高溫?zé)峋酆戏ㄖ苽涞捏w相g-C3N4通過酸化及液相超聲剝離為二維g-C3N4納米片，此措施將縮短光生載流子從g-C3N4納米片內(nèi)部遷移到表面的距離和時間，在一定程度上抑制g-C3N4自身光生載流子的復(fù)合[19-21]，同時為Ag納米顆粒均勻負載提供良好條件，在此基礎(chǔ)上采用光照還原的方法將Ag納米顆粒負載在g-C3N4納米片上，促使光生電子從g-C3N4表面遷移到Ag納米顆粒上，進一步提高了光生載流子的分離效率，更加有效地提高光催化活性。目前關(guān)于g-C3N4在光催化領(lǐng)域的研究主要集中在降解各種污染物[22]、分解水制氫[23]、還原CO2為碳氫燃料[24]等方面，g-C3N4在光催化抗菌方面的研究還很少，其中Ag/g-C3N4納米片的光催化抗菌研究還未見報道。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺、濃H2SO4、硝酸銀、氯化鈉和無水乙醇均為分析純，購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。胰蛋白胨、酵母提取物和瓊脂粉均為BR級，分別購于上海伊卡生物技術(shù)有限公司、Oxoid公司和國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

德國Bruker公司D8 Focus型X-射線粉末衍射儀(XRD)；美國PerkinElmer公司Frontier型紅外光譜儀(FT-IR)；美國FEI公司G2 F20 S-TWIN型透射電子顯微鏡(TEM)；美國Quantachrome公司NOVA 2000e型比表面和孔分析儀(BET)；上海辰華公司CHI660E型電化學(xué)工作站；光催化過程所用光源為300 W Xe燈。

1.2 實驗過程

1.2.1 材料制備

稱取10 g三聚氰胺放入坩堝，加蓋，放入箱式電阻爐中保持520 ℃下煅燒3 h，其中升溫速率控制在4 ℃/min，冷卻后用瑪瑙研缽研磨，過100目篩(0.150 mm)，制得的黃色粉末即為體相g-C3N4。

稱取一定量的體相g-C3N4粉末，倒入濃H2SO4，攪拌2 h后洗滌至中性，干燥后收集。稱取上步的粉末樣品500 mg與乙醇水溶液(1/1，v/v)250 mL攪拌混合，超聲10 h，通過低速離心去除未被剝離的體相g-C3N4，上層懸浮液蒸干溶劑后收集，制得的淡黃色粉末即為二維g-C3N4納米片。

稱取一定量的二維g-C3N4納米片粉末，加入蒸餾水超聲2 h。量取二維g-C3N4納米片的分散液200 mL，滴加AgNO3溶液，黑暗中充分攪拌30 min后用Xe燈光照1 h，經(jīng)蒸餾水洗滌3次后干燥，制得的樣品即為Ag/g-C3N4納米片復(fù)合物，分別制得Ag質(zhì)量分數(shù)為0.5%、1%、3%和5%的復(fù)合物，記作0.5%Ag/g-C3N4、1%Ag/g-C3N4、3%Ag/g-C3N4和5%Ag/g-C3N4。用體相g-C3N4粉末代替二維g-C3N4納米片粉末重復(fù)上述步驟，制備Ag質(zhì)量分數(shù)為3%的復(fù)合物，記作3%Ag/體相g-C3N4。Ag/g-C3N4納米片制備過程如圖1所示。

1.2.2 可見光催化抗菌實驗

(1)菌體培養(yǎng)

革蘭氏陰性菌E.coli(DH5α)保存在-80 ℃冰箱的甘油管中。用接種環(huán)蘸取E.coli，在LB(Luria-Bertani，LB)固體培養(yǎng)基劃線，放于培養(yǎng)箱中37 ℃恒溫倒置培養(yǎng)24 h。用無菌接種環(huán)挑取單克隆于10 mL LB液體培養(yǎng)基中，37 ℃、150 r/min震蕩培養(yǎng)10 h。吸取0.5 mL菌液于50 mL LB新鮮液體培養(yǎng)基中，37 ℃、250 r/min震蕩培養(yǎng)3 h，即可獲得指數(shù)期的E.coli。

(2)抗菌實驗

取上述培養(yǎng)液10 mL加入無菌離心管中，通過高速離心收集菌體，用無菌生理鹽水洗滌3次，收集到的E.coli分散于無菌生理鹽水中，菌液濃度控制為108cfu/mL。對加入5 mg制備樣品的大腸桿菌溶液(50 mL)進行光催化抗菌實驗。光源為300 W氙燈，配置紫外截止濾光片(>420 nm)。實驗過程中，懸浮液持續(xù)磁力攪拌，在一定的間隔時間內(nèi)吸取懸浮液并立即稀釋，均勻地分散到營養(yǎng)瓊脂平板上。在37 ℃下培養(yǎng)24 h后，通過平板計數(shù)法確定活細胞的數(shù)量。值得注意的是，所有的玻璃儀器和光催化劑在實驗前需要121 ℃滅菌20 min，所有的實驗應(yīng)保持無菌條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

不同樣品的XRD圖譜如圖2所示。三個樣品均具有兩個明顯的特征衍射峰，分別位于12.5°和27.7°，對應(yīng)的是g-C3N4的(100)和(002)晶面(JCPDS 87-1526)[25]。其中(100)晶面對應(yīng)的是g-C3N4七嗪環(huán)組成的層內(nèi)結(jié)構(gòu)，(002)晶面對應(yīng)的是g-C3N4的層間堆積結(jié)構(gòu)。當(dāng)通過酸化及超聲把體相g-C3N4剝離為二維g-C3N4納米片后，并沒有發(fā)現(xiàn)特征衍射峰的位置出現(xiàn)變化，說明通過酸化及超聲過程并沒有改變g-C3N4自身的分子結(jié)構(gòu)，但(002)特征衍射峰的強度出現(xiàn)顯著降低，說明剝離后g-C3N4的層間堆積結(jié)構(gòu)被破壞，即g-C3N4的厚度變小。3%Ag/g-C3N4的XRD圖譜中除了g-C3N4所對應(yīng)的特征衍射峰外并沒有Ag的特征衍射峰出現(xiàn)，這可能是由于Ag的量太少以及分散比較均勻。對于Ag在3%Ag/g-C3N4中的存在可通過后面的相關(guān)表征來證明。

2.2 FT-IR分析

不同樣品的FT-IR光譜圖如圖3所示。結(jié)果表明，三個樣品的FT-IR譜圖中特征峰的位置并沒有明顯的不同，表明具有相同的分子結(jié)構(gòu)。三個樣品在809 cm-1附近的強特征峰來源于g-C3N4層內(nèi)的七嗪環(huán)的彎曲振動，g-C3N4中七嗪環(huán)的C-N和C=N的振動體現(xiàn)在1 100～1 700 cm-1之間的多個特征峰，而3 000～3 300 cm-1區(qū)域?qū)挼奈辗鍤w屬于g-C3N4結(jié)構(gòu)邊緣N-H的伸縮振動或者樣品表面吸附的H2O分子中O-H的伸縮振動。可能是由于Ag在復(fù)合物中的含量較低，3%Ag/g-C3N4的FT-IR光譜圖中并沒有發(fā)現(xiàn)Ag的特征峰，同時體相g-C3N4和二維g-C3N4納米片F(xiàn)T-IR光譜結(jié)果也說明剝離過程并沒有破壞g-C3N4本身的分子結(jié)構(gòu)。

2.3 TEM分析

不同樣品的TEM照片如圖4所示。由圖4(a)可知，通過高溫?zé)峋酆戏ㄖ苯又苽涞捏w相g-C3N4呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)，由于厚度較大，在TEM照片上呈現(xiàn)的顏色很深，但從塊狀g-C3N4的邊緣可以很明顯發(fā)現(xiàn)層狀堆疊的結(jié)構(gòu)。由圖4(b)可知，通過對體相g-C3N4液相超聲剝離制備的g-C3N4納米片在TEM照片上顏色明顯變淺呈現(xiàn)薄紗狀結(jié)構(gòu)，說明剝離過程顯著降低了g-C3N4的厚度。從圖4(c)中可以看出在g-C3N4納米片表面或者片層間均勻分布著一些Ag納米顆粒，粒徑為10 nm左右。

2.4 BET分析

比表面積是影響催化劑性能的重要因素之一，剝離塊體g-C3N4為g-C3N4納米片可有效增強比表面積，在光催化反應(yīng)過程中可提供更多的活性位點，加快反應(yīng)速率。圖5為三個樣品的吸附等溫線，均符合Ⅳ型等溫線的特點，具有H3型遲滯環(huán)。實驗結(jié)果表明，g-C3N4納米片的比表面積(92.28 m2/g)為體相g-C3N4比表面積(13.24 m2/g)的6.97倍，而3%Ag/g-C3N4的比表面積達到80.23 m2/g，略小于g-C3N4納米片的比表面積，但明顯高于體相g-C3N4的比表面積。制備的樣品在光照條件下與E.coli作用時，大的比表面積可提供更多的活性位點，同時增大樣品與E.coli的接觸面積，更有助于活性基團對E.coli細胞膜的破壞過程。

2.5 瞬態(tài)光電流分析

瞬態(tài)光電流可用來表征樣品中光生電子和空穴的分離效率，本實驗采用三電極系統(tǒng)，飽和甘汞電極為參比電極，Pt絲為對電極，待測試樣品涂覆在導(dǎo)電玻璃上作為工作電極。瞬態(tài)光電流測試過程的光源為300 W Xe燈，0.5 mol/L Na2SO4溶液作為電解液。工作電極制備方法：稱取30 mg樣品滴加3 mL無水乙醇后超聲1 h，靜置0.5 h，用移液槍取0.2 mL上層液體滴至導(dǎo)電玻璃上，放置自然晾干后即為工作電極。由圖6可知，三個樣品中瞬態(tài)光電流的大小為：3%Ag/g-C3N4納米片>g-C3N4納米片>體相g-C3N4。結(jié)果表明體相g-C3N4通過超聲剝離為g-C3N4納米片后，厚度的減少縮短了光生載流子從g-C3N4內(nèi)部遷移至表面的距離，同時減少了遷移時間，有效提高了光生電子和空穴的分離效率。同時Ag納米顆粒的負載使得電子從g-C3N4納米片轉(zhuǎn)移至Ag納米顆粒，進一步增強了光生電子和空穴的分離效率。

2.6 光催化抗菌性能分析

首先在單純光照和單獨加入制備樣品的情況下進行抗菌實驗，發(fā)現(xiàn)E.coli菌群濃度變化都很微弱，說明可見光和樣品自身的毒性對E.coli的影響可以忽略。但是在可見光和樣品的共同作用下，隨著光照時間的延長，E.coli菌群濃度出現(xiàn)明顯下降。有文獻報道光催化抗菌過程一般分為三個階段[26]。在剛開始階段，可以觀察到一個被稱為“肩膀”的初始延遲，意味著光催化過程生成的活性基團開始攻擊E.coli，此階段菌群濃度變化非常緩慢。第二階段是抗菌過程的主要組成部分，菌群濃度的對數(shù)值與時間呈現(xiàn)線性規(guī)律。在光催化過程的最后階段，可以看到一個明顯的減速稱為“尾巴”，菌群濃度的下降速度變緩。由圖7可知，所制備樣品光催化殺滅E.coli均表現(xiàn)出相似的三個過程。實驗結(jié)果還表明g-C3N4納米片的光催化抗菌效果明顯優(yōu)于體相g-C3N4，負載納米Ag顆粒后，樣品的光催化活性均優(yōu)于g-C3N4納米片，且隨著Ag負載量的增大先增強后減弱，3%Ag/g-C3N4納米片展現(xiàn)出最優(yōu)的光催化抗菌活性，同時明顯優(yōu)于3%Ag/體相g-C3N4復(fù)合物的光催化抗菌活性。光催化活性的效果與瞬態(tài)光電流的實驗結(jié)果一致，說明光生電子和空穴的分離效率在光催化過程中起著至關(guān)重要的作用。

改進的Hom模型可以計算光催化抗菌過程的動力學(xué)[26-27]

(1)

其中N和N0分別為t和t0時刻的菌群濃度，k1、k2和k3為光催化抗菌過程三個不同階段的動力學(xué)常數(shù)。通過上述模型對圖7中的光催化抗菌曲線擬合得到k1、k2和k3，如圖8和表1所示。第二階段是整個光催化抗菌過程的主要環(huán)節(jié)，因此k2是衡量光催化抗菌效果的重要參數(shù)。由表1可知，3%Ag/g-C3N4的k2為0.054 5 min-1，為所測6個樣品中的最大值，是體相g-C3N4(0.018 2 min-1)的2.99倍，是3%Ag/體相g-C3N4(0.037 5 min-1)的1.45倍，說明剝離體相g-C3N4為納米片之后再負載Ag更有利于的光催化抗菌過程。

表1 樣品光催化抗菌曲線改性Hom模型擬合參數(shù)

3 光催化抗菌增強機理分析

4 結(jié) 論

在液相超聲剝離制備g-C3N4納米片的基礎(chǔ)上，通過光照還原的方法負載Ag納米顆粒，成功構(gòu)筑Ag/g-C3N4納米片，通過可見光下殺滅E.coli能力研究樣品的光催化活性。通過改進的Hom模型對光催化抗菌曲線進行擬合，3%Ag/g-C3N4納米片具有最優(yōu)的光催化抗菌活性，其對應(yīng)的k2值是體相g-C3N4的2.99倍，是3%Ag/體相g-C3N4的1.45倍。大的比表面積和良好的光生載流子分離效率是3%Ag/g-C3N4納米片具有優(yōu)異光催化抗菌活性的主要原因。