γ-氧化鐵/山梨酸/銀-二氧化鈦的制備及抗菌性能

吳麗娜，張向軍，林清嫻

（廈門市建筑科學研究院有限公司，福建廈門361004）

飲用水微生物污染是各個國家主要疾病暴發(fā)的原因之一，膜過濾、氯化、臭氧是有效的消毒手段，但是這些技術(shù)存在局限性［1］。MATSUNAGA等［2］利用TiO2光催化滅活大腸桿菌、嗜酸乳桿菌和釀酒酵母，其是光催化抗菌技術(shù)的研發(fā)先驅(qū)。TiO2半導體材料在生物相容性、物化穩(wěn)定性、光催化響應(yīng)性和氧化能力方面具有較高品質(zhì)，可作為飲用水處理中一種高效的無機抗菌劑，但是其存在響應(yīng)光區(qū)窄、粉末材料不易回收、分散性較差等問題，因此需要研究新型復合催化劑的優(yōu)化性能［3］。

貴金屬Ag常用于TiO2改性，通過表面等離子諧振，可促進光催化反應(yīng)過程，且Ag+作為廣譜高效抑菌劑，可綜合提高材料的抗菌活性［4］。李萌等［5］采用磁控濺射-水熱復合處理法，將Ag-TiO2納米棒固定于鈦箔片表面，酸化處理后對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有高效顯著的抗菌活性。山梨酸作為一種典型的有機酸，毒性低，本身也具有抑菌性［6］。將山梨酸負載于TiO2上，不僅能提高其在水溶液中的分散性，而且不會產(chǎn)生危害人體健康的其他物質(zhì)。磁性顆?？捎行Ы鉀Q粉末狀催化劑回收難問題，超順磁性氧化鐵納米材料（如Fe3O4和γ-Fe2O3）合成方便、成本低廉，且具有良好的磁學性質(zhì)，在研究和運用中最為常見，其中γ-Fe2O3具有良好的熱穩(wěn)定性，比Fe3O4更優(yōu)異［7］。

筆者擬通過溶膠凝膠-水熱法將γ-Fe2O3/山梨酸/Ag與TiO2結(jié)合，設(shè)計構(gòu)建出新型磁性復合催化劑用于飲用水消毒。選擇大腸埃希氏菌為目標菌，優(yōu)化制備參數(shù)，研究抗菌機理，為飲用水光催化消毒技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

試劑：九水合硝酸鐵、葡萄糖、丙烯酸、無水乙醇、冰醋酸、硝酸、異丙醇（IPA）、2，2，6，6-四甲基哌啶醇氮氧自由基（TEMPOL）、乙二胺四乙酸二鈉（EDTA-2Na）、二氧化鈦（銳鈦礦）、硝酸銀、銀粉、山梨酸（SA）、鈦酸四丁酯，均為分析純；銀標準儲備液，優(yōu)級純；FSCC 149002型大腸埃希氏菌（凍干粉）。

儀器：Empyrean DY1602型X射線多晶衍射儀（XRD）；ESCALAB 250XI型X射線光電子能譜儀（XPS）；ASAP 2460型比表面積及孔隙度分析儀；Nova Nano SEM 230型掃描電子顯微鏡（SEM）；MPMS（SQUID）XL型磁學測量系統(tǒng)；OPTIMA8000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜分析儀（ICP）。

1.2 催化劑的制備

稱取10 mmol Fe（NO3）3·9H2O和5 mmol葡萄糖，溶解于39 mL去離子水中，滴加1 mL丙烯酸，將反應(yīng)物移入100 mL反應(yīng)釜中，在190℃水熱反應(yīng)9 h，洗滌、干燥、研磨后得到γ-Fe2O3。稱取一定量山梨酸溶于10 mL無水乙醇中，標為A液；將HNO3逐滴加入15 mL無水乙酸中，調(diào)節(jié)pH為2～3，標為B液。稱取一定量AgNO3，溶解于10 mL無水乙醇中，逐滴加入15 mmol鈦酸四丁酯，逐滴加入A液，加入0.15 g γ-Fe2O3，混勻。以1～2滴/s的速度逐滴加入B液，攪拌3 h，陳化3 h，以上操作均需黑暗條件。將反應(yīng)物移入100 mL反應(yīng)釜中，在一定條件下進行水熱反應(yīng)，洗滌、干燥、研磨，得到γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2。作為對照的催化劑Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2和γ-Fe2O3/Ag-TiO2的合成方法與上述方法相同，只是相應(yīng)地不添加γ-Fe2O3、山梨酸溶液和AgNO3溶液。

1.3 抗菌活性評價

菌懸液濃度取OD600=0.10，約106cfu/mL，進行可見光條件下的抗菌試驗。試驗結(jié)束后，取樣逐級梯度稀釋。取0.1 mL最后兩個梯度的菌懸液，均勻涂布于瓊脂平板表面，37℃恒溫培養(yǎng)24 h，觀察菌落生長狀況并計數(shù)。每個稀釋濃度的平行樣為3個，計數(shù)結(jié)果取平均值。每組試驗需進行5次，用于試驗結(jié)果和誤差線的計算。抗菌效果采用對數(shù)去除率作為衡量指標。對數(shù)去除率和去除率計算方法見式（1）（2）。

式中：A為對照組樣品活菌數(shù)，cfu/mL；B為實驗組樣品活菌數(shù)，cfu/mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

2.1.1 XRD分析

圖1為γ-Fe2O3、Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的XRD譜圖。從圖1A看出，γ-Fe2O3的特征衍射峰均匹配JCPDS No.39-1346，無雜峰且峰型尖銳，表明純度高、結(jié)晶良好。從圖1B看出，樣品a～d在相同的衍射角均有銳鈦礦TiO2（JCPDS No.01-1013）衍射峰，且峰位不變，表明各復合成分獨立存在，未進入TiO2晶格，根據(jù)Scherrer公式得到樣品的晶粒尺寸分別為10.883、8.473、8.745、7.664 nm。SANZONE等［8］研究表明銀會抑制TiO2晶粒生長，本研究中γ-Fe2O3和山梨酸的復合對其抑制效果更為顯著，且Ag與γ-Fe2O3的抑制效果有一定牽制。樣品b～d上存在對應(yīng)相應(yīng)界面的γ-Fe2O3衍射峰，說明γ-Fe2O3成功復合。樣品XRD譜圖中未發(fā)現(xiàn)Ag特征峰，可能存在兩個原因：一是銀含量比較低且較為分散；二是Ag（111）界面和銳鈦礦TiO2（004）界面的特征衍射峰均在38°附近［9］。樣品XRD譜圖中也未發(fā)現(xiàn)山梨酸的特征峰，可能與結(jié)合方式有關(guān)，或分散為無定型。

圖1 γ-Fe2O3（A）以及Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（B）的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns ofγ-Fe2O3（A），Ag-TiO2，γ-Fe2O3/TiO2，γ-Fe2O3/Ag-TiO2，γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（B）

2.1.2 XPS分析

為進一步分析γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的成分組成和成鍵結(jié)構(gòu)，對材料進行了XPS表征，結(jié)果見圖2。由圖2A的全譜圖可知，催化劑主要由Fe、O、Ti、Ag、C 5種元素構(gòu)成。由圖2B的Ag 3d圖可知，兩個結(jié)合能差值為6 eV，說明Ag以單質(zhì)形式存在［10］。由圖2C的C 1s圖可知，288.44 eV對應(yīng)羧基（O—C=O），285.50 eV對應(yīng)C—OR鍵，284.60 eV對應(yīng)C=C鍵或C—C鍵，283.90 eV對應(yīng)C—H鍵［11］。表明山梨酸成功負載，且羧基以單齒方式與催化劑表面的—OH結(jié)合，未進入TiO2晶格。

圖2 γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的XPS圖Fig.2 XPS spectra ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2

2.2 表面特性分析

2.2.1 BET比表面積分析

圖3為γ-Fe2O3、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的N2吸附-脫附曲線及BJH脫附孔尺寸分布圖。從圖3看出，曲線類型均為Ⅳ型等溫線，表明為介孔結(jié)構(gòu)；在p/p0大于0.7后均出現(xiàn)H3型滯回環(huán)，說明孔形構(gòu)成中存在狹縫、楔形和裂縫［12］。樣品A、B孔徑分布較為分散，晶粒之間堆疊不均勻，孔徑分布于10～15 nm，但后者吸附-脫附曲線重合性較小，毛細凝聚不嚴重。樣品C、D孔徑分布集中，說明Ag和山梨酸的負載有助于提高催化劑晶粒結(jié)構(gòu)的有序性。樣品A～D的BET比表面積逐漸增大，一方面是表面增加了不同晶粒，另一方面是γ-Fe2O3、山梨酸和Ag的復合抑制了TiO2晶粒生長。γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的BET比表面積為125.726 m2/g，較銳鈦礦TiO2比表面積（82.160 m2/g）有較大提高，有助于催化劑對目標污染物的吸附和表面活性位點的增加。

圖3 γ-Fe2O3（A）、γ-Fe2O3/TiO2（B）、γ-Fe2O3/Ag-TiO2（C）、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（D）的N2吸附-脫附曲線及BJH脫附孔徑分布圖Fig.3 N2 adsorption-desorption isotherms and BJH desorption pore size distribution ofγ-Fe2O3（A），γ-Fe2O3/TiO2（B），γ-Fe2O3/Ag-TiO2（C），γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（D）

2.2.2 FESEM分析

圖4為γ-Fe2O3/Ag-TiO2和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的FESEM照片。從圖4看出，催化劑顆粒為類球形，粒徑較小，分布規(guī)整；山梨酸為白色晶體狀，分布在表面（如紅圈處），且分散良好。

圖4 γ-Fe2O3/Ag-TiO2（A、B）和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（C、D）的FESEM照片F(xiàn)ig.4 FESEM images ofγ-Fe2O3/Ag-TiO2（A，B）andγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（C，D）

2.3 光學性能分析

圖5為銳鈦礦TiO2、Ag-TiO2、γ-Fe2O3、γ-Fe2O3/Ag-TiO2和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的紫外-可見漫反射光譜（UV-Vis DRS）。從圖5看出，銳鈦礦TiO2光吸收邊界為405 nm，主要吸收紫外光，禁帶寬度為3.06 eV；Ag-TiO2為全波段吸收，對可見光區(qū)段的吸收能力比紫外光區(qū)低，這是由于Ag負載形成摻雜能級，使電子能吸收小能量光子，從Ag的價帶躍遷至TiO2的導帶，提高了材料對可見光的利用率［13］；γ-Fe2O3/Ag-TiO2和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的譜線基本重合，表明山梨酸負載對光吸收無影響；γ-Fe2O3也為全波段吸收，禁帶寬度極小，因此復合后對材料的光響應(yīng)有顯著貢獻，且與Ag和TiO2形成三級躍遷能級，可提高光量子和活化粒子的利用率，增強光催化抗菌活性。

圖5 銳鈦礦TiO2（a）、Ag-TiO2（b）、γ-Fe2O3（c）、γ-Fe2O3/Ag-TiO2（d）、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（e）的UV-Vis DRS圖Fig.5 UV-Vis DRSof anatase TiO2（a），Ag-TiO2（b），γ-Fe2O3（c），γ-Fe2O3/Ag-TiO2（d）andγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（e）

2.4 磁性能分析

圖6為γ-Fe2O3和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的室溫磁滯回線。從圖6看出二者具有以下共同點：屬S型回線；磁化曲線與去磁曲線近乎重疊，無磁滯現(xiàn)象；曲線與原點相交，即剩余磁化強度和矯頑力皆為0，表明均為超順磁材料［14］。

圖6 γ-Fe2O3和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的室溫磁滯回線Fig.6 Magnetic hysteresis loops ofγ-Fe2O3 andγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2 at room temperature

從圖6可以看出，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的飽和磁化強度為10.478 A·m2/kg，相較于γ-Fe2O3（24.074 A·m2/kg）有明顯降低，這是由于其他成分的復合使單位質(zhì)量材料中γ-Fe2O3的占比下降所致。使用普通磁鐵塊檢測γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的磁性能。從圖6插圖看出：未施加外加磁場，催化劑均勻分散（a）；磁鐵靠近，許多粉末立即被吸附于磁鐵一側(cè)，水顏色變淡（b）；5 s后，大量粉末聚集于磁鐵一側(cè)，水變?yōu)榘胪该鳡睿╟）；10 s后，催化劑粉末已基本被磁鐵“收集”，水變?yōu)橥该鳎╠）。綜上所述，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2有良好的順磁性，無磁性條件下能較好地分散于水中，施加外加磁場后立即表現(xiàn)出磁性響應(yīng)，容易收集，具有一定的經(jīng)濟性，可防止二次污染。

2.5 制備工藝參數(shù)的確定

探討了主要制備工藝參數(shù)（銀摻雜量、山梨酸摻雜量、水熱溫度和水熱時間）對γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2抗菌性能的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 制備工藝參數(shù)對γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌活性的影響Fig.7 Effect of synthesis parameters on photocatalytic antibacterial activity ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2

從圖7A看出，隨著銀摻雜量增加，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。這是因為，隨著銀摻雜量增加，催化劑對可見光的吸收增強，Ag0在水中轉(zhuǎn)化為可殺菌的Ag+，因而催化劑的抗菌活性激增［13］。WEI等［15］研究表明，銀摻雜量超過一定量時，其對TiO2表面活性位點的掩蔽和對TiO2晶粒生長的抑制作用加劇，因而催化劑的抗菌活性呈下降趨勢。

從圖7B看出，隨著山梨酸復合量的增加，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。山梨酸復合對催化劑光催化抗菌性能的增強作用主要包括：增大比表面積，提高吸附能力；π-π共軛體系及羧基氧上的未參與成鍵的電子，有利于光生電子的轉(zhuǎn)移［16］；本身具有的抑菌作用。但是，山梨酸復合會減少TiO2表面的活性基團，因而其復合超過一定量時，會使催化劑的抗菌活性下降。

從圖7C看出，隨著水熱溫度的升高，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。隨著水熱溫度的升高，TiO2晶粒的結(jié)晶度提高，形成的復合物趨于穩(wěn)定，因而催化劑的光催化抗菌活性顯著增強［17］。但是，當水熱溫度超過一定值時，能量交換劇烈，反應(yīng)和結(jié)晶過快，可能造成晶格缺陷［18］。

從圖7D看出，隨著水熱時間的延長，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。隨著水熱時間的延長，晶粒生長、各物質(zhì)生成和復合趨于完善，有利于催化劑光催化抗菌過程的進行［19］。但是，當水熱反應(yīng)超過一定時間后，TiO2晶粒粒徑加劇增大，使得比表面積減小，且晶粒之間相互擠壓變形甚至團聚，造成形貌失序［20］，因此抗菌性能下降。

由圖7可知γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的最佳制備參數(shù)：n（Ag）/n（Ti）=0.03，n（SA）/n（Ti）=0.2，水熱溫度為160℃，水熱時間為12 h。

2.6 不同材料的抗菌性能分析

考察了不同材料（Ag、SA、γ-Fe2O3、TiO2、Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2）的抗菌性能，結(jié)果見圖8。從圖8看出，單分子催化劑Ag、γ-Fe2O3和銳鈦礦TiO2的抗菌活性都較低，只有SA的效果較明顯。這是由于，Ag0只有極少部分轉(zhuǎn)換為有殺菌作用的Ag+［21］；γ-Fe2O3光生電子-空穴對極易復合，無法有效利用；銳鈦礦TiO2主要受紫外光驅(qū)動，在可見光區(qū)響應(yīng)很弱，光生電子-空穴對產(chǎn)率低且極易復合［22］；SA是可單獨使用的防腐劑，具有抑菌性。雙分子復合催化劑中，Ag-TiO2的抗菌活性遠大于γ-Fe2O3/TiO2，主要是由于Ag+具有殺菌作用，Ag改性也有助于提升TiO2的光催化活性。復合催化劑的對數(shù)去除率均遠大于單分子催化劑的和，說明材料復合不是簡單的疊加，而是相互促進形成“1+1＞2”的作用。這種促進作用在γ-Fe2O3/Ag-TiO2三分子復合材料上體現(xiàn)得更加明顯，其在可見光區(qū)的響應(yīng)十分顯著，材料界面有序、比表面積大，為光催化抗菌提供了更多的活性位點。γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的對數(shù)去除率為5.91，比γ-Fe2O3/Ag-TiO2的抗菌活性更高。這是由于山梨酸雖然占據(jù)TiO2表面一定的活性位點，卻提高了材料在反應(yīng)體系中的分散性，并且山梨酸本身也具有抑菌作用，因此對數(shù)去除率有進一步的提升。

圖8 可見光下不同材料（Ag、SA、γ-Fe2O3、TiO2、Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2）的抗菌性能Fig.8 Antibacterial properties of different materials（Ag，SA，γ-Fe2O3，TiO2，Ag-TiO2，γ-Fe2O3/TiO2，γ-Fe2O3/Ag-TiO2，γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2）driven by visible light

2.7 光催化抗菌機理研究

向菌液中添加50 mmol/L IPA、4 mmol/L TEMPOL和EDTA-2Na分別作為·OH、O2·－和h＋的自由基淬滅劑［23］，研究各自由基在γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌過程中的重要程度，結(jié)果見圖9。從圖9A看出，3種淬滅劑對抗菌性能的影響從大到小的順序依次為IPA、TEMPOL、EDTA-2Na。從圖9B看出，加入IPA的對數(shù)去除率與·OH捕獲實驗曲線最為接近，且·OH被捕獲后降低最為劇烈，比只加催化劑減少40%，說明·OH是γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌過程中最重要的活性氧（ROS）。從圖9C可知，加入O2·－淬滅劑后對數(shù)去除率峰值下降24%，TEMPOL本身對大腸埃希氏菌的毒性較低，催化劑在O2·－被捕獲后其他ROS還有很強的抗菌活性。從圖9D可知，h＋被淬滅劑捕獲后對γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌性能的影響較小。綜上所述，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌過程中3種主要ROS的影響順序從大到小依次為·OH、O2·－、h＋。

圖9 淬滅劑（IPA、TEMPOL、EDTA-2Na）對γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌活性的影響Fig.9 Effect of quenching agents（IPA，TEMPOL，EDTA-2Na）on photocatalytic antibacterial activity ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2

γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2復合材料中Ag0轉(zhuǎn)化為Ag+時也具有殺菌作用，主要是由于Ag+釋放到水中，與細菌接觸后會進入細胞內(nèi)，通過改變細胞內(nèi)功能蛋白酶結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)逐漸變性、失活，最終徹底喪失新陳代謝能力而死亡。采用ICP測定復合材料抗菌過程中Ag+釋放量，設(shè)定可見光照射和黑暗兩個條件，以探究其協(xié)同抗菌性，結(jié)果見圖10。從圖10看出，在可見光和黑暗條件下Ag+釋放量接近，且隨著反應(yīng)時間的改變其質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.3～0.4 mg/L。這表明水中Ag0與Ag+轉(zhuǎn)化處于動態(tài)平衡，且不受光照條件的影響。正是反應(yīng)體系A(chǔ)g+的存在，與山梨酸共同作用下，使催化劑在黑暗條件下仍具有顯著的抗菌活性，對數(shù)去除率為2.54。

圖10 γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2在不同光照條件下Ag+釋放量Fig.10 Ag+release amount ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2 under different illumination conditions

3 結(jié)論

采用溶膠凝膠-水熱法制備復合光催化劑γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2，最佳制備參數(shù)為n（Ag）/n（Ti）=0.03、n（SA）/n（Ti）=0.2、水熱溫度為160℃、水熱時間為12 h。其中，純銳鈦礦晶型TiO2和γ-Fe2O3結(jié)晶良好，純度較高，銀為單質(zhì)態(tài)，山梨酸以單齒方式與TiO2結(jié)合。催化劑為介孔結(jié)構(gòu)、粒徑分布集中、BET比表面積為125.726 m2/g的類球形顆粒，可吸收200～800 nm全波段光，飽和磁化強度為10.478 A·m2/kg，無磁滯現(xiàn)象，為超順磁材料，可在外加磁場下迅速固液分離，有效實現(xiàn)材料的回收。自由基與游離Ag+和山梨酸構(gòu)成協(xié)同抗菌體系，主要ROS的影響順序由大到小依次為·OH、O2·－、h＋，使γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2在可見光和黑暗條件下均具有良好的抗菌活性，對數(shù)去除率分別為5.91和2.54。