Pd修飾片狀硼摻雜二氧化鈦(B/TiO2)納米材料制備及對(duì)病原菌的防治

姚 靜，翟夢(mèng)婉，袁明明，劉炳坤，劉貝貝，孫 濱，張靜濤

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，河南省冷鏈?zhǔn)称焚|(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002 ; 2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南省表界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002 ; 3.山東金城醫(yī)藥集團(tuán)股份有限公司，山東 淄博 255000)

隨著安全用水需求量的日漸增多，對(duì)水中病原微生物的殺滅變得更加迫切。為了解決病原微生物對(duì)水資源的污染問(wèn)題，已研究報(bào)道出多種物理和化學(xué)殺滅病原微生物的方法，包括氯消毒、臭氧消毒、抗生素和紫外殺菌等方法[1-2]。報(bào)道顯示氯消毒產(chǎn)生的消毒副產(chǎn)物，對(duì)哺乳動(dòng)物有致癌和致畸變作用[3]。雖然在眾多飲用水消毒過(guò)程中仍然采用臭氧對(duì)微生物進(jìn)行滅活，但是臭氧并不穩(wěn)定，容易分解，不能連續(xù)對(duì)大腸桿菌進(jìn)行消殺，所以消毒時(shí)間并不持久，僅在一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)細(xì)菌有殺滅作用，而且在消毒過(guò)程中分解產(chǎn)生了細(xì)菌的生存物質(zhì)[4]。抗生素殺菌方法雖然效果較好，但是水體中抗生素殘留無(wú)法完全清除，可能加劇水體抗生素污染[5]。紫外線消毒通過(guò)破壞微生物的核酸來(lái)滅活微生物，雖然在消毒過(guò)程中體現(xiàn)出持續(xù)性，但大量直接使用紫外線輻射具有一定的危害性，這也限制了它的應(yīng)用[6]。因此，研究開發(fā)一種高效殺滅大腸桿菌且安全的方法，是處理廢水和污水工作中亟待解決的問(wèn)題。

許多類型的半導(dǎo)體材料，如氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO2)已經(jīng)開發(fā)和應(yīng)用[4]。TiO2作為目前最流行的光催化材料，在殺菌方面得到了廣泛的研究，其在殺滅病原菌方面具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。與傳統(tǒng)殺滅病菌的物理化學(xué)方法相比，TiO2介導(dǎo)的細(xì)菌滅活是一種新的殺菌方法，不產(chǎn)生有害消毒副產(chǎn)物。此過(guò)程不僅可以將病菌完全降解，還可以降解菌產(chǎn)生的毒素[7]。

在紫外光輻照下，納米TiO2材料會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(electron hole pairs)，光生電子-空穴對(duì)可以轉(zhuǎn)移到TiO2表面，與表面吸附的水以及環(huán)境中的氧氣等分子發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)，如羥基自由基(·OH)、超氧自由基(·O2-)等[8-10]。這些活性氧基團(tuán)破壞細(xì)胞壁細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，從而使細(xì)胞微生物死亡[7]。因此，殺菌效果取決于TiO2的光催化能力。然而，純的TiO2產(chǎn)生的ROS較少，因其光生電子空穴易復(fù)合，原因在于純的TiO2禁帶寬度比較大[11]。光生電子和空穴復(fù)合極大地限制了ROS的生成，研究人員采用修飾或改性等手段，拓展純TiO2光響應(yīng)范圍，通過(guò)加速載流子分離，強(qiáng)化提高可見光的利用效率，進(jìn)而提高光催化效率。鈀作為一種貴金屬，具有很好的催化活性，對(duì)TiO2進(jìn)行修飾后，能夠提高TiO2的電子空穴分離能力。

本文通過(guò)溶劑熱的方法對(duì)TiO2材料進(jìn)行改性，合成了具有可見光響應(yīng)的Pd修飾的B摻雜TiO2復(fù)合材料，該復(fù)合材料可有效利用可見光進(jìn)行光催化殺滅大腸桿菌。通過(guò)合成不同含量Pd修飾的B摻雜TiO2復(fù)合材料，利用X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)、紫外可見光分光光度計(jì)等方法分析復(fù)合材料的表征及性能，并測(cè)試其對(duì)大腸桿菌的殺滅效果。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硼化鈦(99%)、氯化鈀(99.99%)、氫氧化鈉(98%)、無(wú)水硫酸鈉(99%)，購(gòu)自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸二氫鉀(99%)、磷酸氫二鈉(99%)、氯化鈉(99.5%)、氯化鉀(99.5%)，購(gòu)自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；LB固體培養(yǎng)基購(gòu)于北京奧博星生物技術(shù)有限責(zé)任公司；鹽酸(37%)購(gòu)于煙臺(tái)市雙雙化工有限公司；無(wú)水乙醇(99.7%)購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

D8 Advance型XRD利用X射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司；JEM2100型TEM，日本電子株式會(huì)社；U-3900H型紫外可見分光光度計(jì)，日本日立公司；ESCALAB250型XPS，美國(guó)賽默飛世爾有限公司；930N型熒光分光光度計(jì)，上海儀電公司；PLS-SXE 300型氙燈光源，北京泊菲萊科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1鈀修飾的硼摻雜二氧化鈦(B/TiO2)

首先采用溶劑熱法制備硼摻雜二氧化鈦(B/TiO2)，將0.275 g的TiB2置于聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后配制0.11 mol/L的Na2SO4和1 mol/L的HCl混合溶液，取上述混合溶液60 mL至含有TiB2的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，攪拌均勻后(200 ℃)，保溫24 h，冷卻至室溫后倒去上清液，水洗和醇洗去除雜質(zhì)，在60 ℃烘箱烘干，研磨成粉備用；第二步將Pd與已經(jīng)合成的B/TiO2材料進(jìn)行復(fù)合，稱取200 mg上述得到的B/TiO2粉末，按照Pd與B/TiO2質(zhì)量比為1%、3%、5%、7%、10%計(jì)，依次稱取PdCl2置于40 mL去離子水中，攪拌均勻；最后將100 mg的NaBH4置于20 mL去離子水中攪拌，待完全溶解后滴加到PdCl2與B/TiO2的混合溶液中，反應(yīng)4 h，使PdCl2經(jīng)NaBH4還原至B/TiO2表面，再次用水洗和醇洗去雜質(zhì)，置于真空干燥箱中干燥后，研磨成粉末，制得Pd-B/TiO2納米復(fù)合材料。

1.3.2光催化滅菌實(shí)驗(yàn)

測(cè)試菌種為大腸桿菌K12(ATCC15597)菌株，先將冷藏的菌種在固體LB培養(yǎng)基上進(jìn)行平板劃線，放入人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，溫度為37 ℃，培養(yǎng)24 h后，用滅菌牙簽挑取一個(gè)單菌落于液體LB培養(yǎng)基中，在振蕩培養(yǎng)箱中37 ℃培養(yǎng)，150 r/min的轉(zhuǎn)速，連續(xù)培養(yǎng)12 h。將培養(yǎng)好的菌液轉(zhuǎn)移至離心管中，8 000 r/min，離心6 min，緩慢倒去上清液。離心管中的菌體，PBS緩沖液清洗兩次，調(diào)整菌懸液濃度約2×109CFU/mL備用。

用移液槍吸取9.9 mL PBS緩沖液，稱取10 mg Pd-B/TiO2納米復(fù)合材料，置于直徑6 cm小平皿中，超聲波分散儀超聲分散10 min，氙燈(濾掉400 nm以下和700 nm以上的波段)調(diào)整光強(qiáng)為40 mW/cm2預(yù)熱。取0.1 mL上述菌懸液于含有材料的小平皿中，吹打混勻。取0.1 mL材料和菌混合液梯度稀釋后，均勻涂布在固體LB培養(yǎng)基上，進(jìn)行平皿計(jì)數(shù)作為初始樣品。之后將平皿置于氙燈下，每隔20 min吸取0.1 mL小平皿中的菌液進(jìn)行稀釋涂布，時(shí)間為2 h。將涂布好的平板置于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)過(guò)夜后，進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)，并重復(fù)3次以上操作。

2 結(jié)果分析

2.1 材料結(jié)構(gòu)形貌與成分分析

圖1為制備的不同比例(物質(zhì)的量比)的Pd-B/TiO2的XRD圖譜。

圖1 Pd-B/TiO2的XRD圖譜

由圖1可以看出，合成得到的晶體衍射峰與TiO2標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDFNo.21-1272)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，特征衍射峰主要是TiO2，不難看出前驅(qū)體材料TiB2已完全轉(zhuǎn)化為B/TiO2，即所合成的樣品主要為TiO2，而且特征衍射峰具有較高的衍射強(qiáng)度，并且衍射峰的形狀較為尖銳，可見材料的結(jié)晶度較好。對(duì)比單質(zhì)Pd的標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDF NO.05-0681)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和7%樣品中可以看到Pd微弱的衍射峰。

圖2a為Pd-B/TiO2樣品形貌圖，透射電鏡下的純TiO2材料呈不規(guī)則片狀，表面粗糙。圖2b高分辨透射圖片中一個(gè)晶格間距為0.35 nm，對(duì)應(yīng)TiO2特征衍射峰(JCPDSNo.21-1272)卡片的TiO2(101)晶面。

圖2 Pd-B/TiO2樣品透射圖

在材料表面還負(fù)載著一些黑色顆粒物，晶格間距為0.20 nm，對(duì)應(yīng)Pd單質(zhì)特征衍射峰(JCPDSNo.05-0618)卡片的Pd(200)晶面。研究表明，光催化劑的效率受結(jié)構(gòu)和尺寸的顯著影響，Pd-B/TiO2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)呈不緊密排列，光催化反應(yīng)時(shí)能增大接觸面積，提高催化反應(yīng)速率[2]。

如圖3(a～e)所示，分別是復(fù)合材料的全譜圖和Ti、Pd、O、B的能譜圖。圖3a是Pd-B/TiO2納米材料的XPS分析譜圖。由圖3可以看出，復(fù)合材料是由Ti、O、Pd、B 4種元素組成的。圖3b顯示，在結(jié)合能458.2 eV和463.9 eV處分別對(duì)應(yīng)Ti 2p的Ti 2p3/2與Ti 2p1/2，但是不摻雜TiO2的結(jié)合能分別對(duì)應(yīng)458.9 eV處的Ti 2p3/2以及464.7 eV處的Ti 2p1/2，這是因?yàn)閺?fù)合材料中摻雜了B單質(zhì)的原因，使得結(jié)合能略有偏低。圖3c中Pd 3p的擬合峰結(jié)合能為：342.2、340.3、337.1、335.2 eV。Pd元素的結(jié)合能為335.2 eV和340.5 eV，分別對(duì)應(yīng)Pd單質(zhì)的Pd 3d5/2和Pd 3d3/2軌道；PdO的結(jié)合能為336.9 eV和342.2 eV，分別對(duì)應(yīng)PdO 3d5/2和PdO 3d3/2軌道，這是其特征峰Pd0，表明Pd以單質(zhì)形式存在，NIE等[12]認(rèn)為可能是由于Pd在光催化劑表面氧化所致。圖3d中O 1s的結(jié)合能在529.9、531.4、533.0 eV處，分別對(duì)應(yīng)的是Ti—O鍵、O—H鍵、B—O鍵[13]。圖3 e中結(jié)合能187.5、190.9 eV以及191.7 eV對(duì)應(yīng)的是B 1s的擬合峰，陳代梅等[14]認(rèn)為結(jié)合能187.5、191.7 eV處對(duì)應(yīng)TiB2的Ti—B—Ti，190.9 eV對(duì)應(yīng)B—Ti—O，B以間隙型和取代的方式摻雜TiO2材料中。

圖3 Pd-B/TiO2的X射線光電子能譜分析譜圖

2.2 紫外-可見漫反射(UV-Vis)分析

圖4為添加不同含量的Pd修飾的B摻雜TiO2復(fù)合材料的紫外可見光吸收光譜圖。

圖4 Pd-B/TiO2紫外-可見吸收光譜圖

由圖4可以看出，Pd-B/TiO2復(fù)合材料在紫外光區(qū)具有本征吸收峰，不添加Pd的B/TiO2材料具有微弱的可見光吸收性能[15]。Pd具有表面等離子體效應(yīng)，可以使材料在可見光范圍內(nèi)增加光吸收效應(yīng)，進(jìn)而提高其光催化殺菌能力。所以，隨著Pd含量的增加，Pd-B/TiO2復(fù)合材料在可見光區(qū)的響應(yīng)能力逐漸增強(qiáng)。

2.3 穩(wěn)態(tài)熒光(PL)分析

圖5是Pd-B/TiO2復(fù)合材料用450 nm的濾光片過(guò)濾的穩(wěn)態(tài)熒光圖譜，激發(fā)波長(zhǎng)為385 nm，反映出復(fù)合材料的電子-空穴對(duì)含量。

由圖5可知，7% Pd-B/TiO2復(fù)合材料的熒光比較低，其光生電子-空穴對(duì)復(fù)合的速度也相對(duì)較慢，在一定程度上加快了光催化反應(yīng)速率。而其他含量的Pd-B/TiO2的熒光強(qiáng)度都比7%的復(fù)合材料高。材料的熒光強(qiáng)度越低，其光生電子與空穴的復(fù)合速度就越低，產(chǎn)生的活性氧基團(tuán)則越多，材料的殺菌性能則越好。

圖5 Pd-B/TiO2穩(wěn)態(tài)熒光圖譜

2.4 殺菌性能測(cè)試

圖6為Pd-B/TiO2復(fù)合材料殺滅大腸桿菌的存活情況。圖中大腸桿菌的起始密度約為2×107CFU/mL。

圖6 Pd-B/TiO2殺滅大腸桿菌的存活率圖

由圖6可見，僅在可見光照射下，以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)7% Pd-B/TiO2材料在黑暗條件下，大腸桿菌的數(shù)目基本上沒(méi)有變化，絕大多數(shù)的大腸桿菌依然存活。B/TiO2材料在120 min的可見光照射下對(duì)大腸桿菌的殺滅效果并不顯著，大腸桿菌在可見光照射120 min后存活率仍達(dá)80%，表明B/TiO2材料光催化殺菌能力較弱。1%和3%的Pd-B/TiO2在可見光的照射下，大腸桿菌的存活率依然很高，大腸桿菌的數(shù)目?jī)H僅降低了不到一個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著Pd含量的增加，Pd-B/TiO2復(fù)合材料的殺菌性能逐漸增強(qiáng)，5% Pd-B/TiO2在可見光照射120 min后，大腸桿菌幾乎全部失活，菌落數(shù)目降低了7個(gè)數(shù)量級(jí)左右；7% Pd-B/TiO2復(fù)合材料在可見光照射120 min后，大腸桿菌全被殺死，存活率為零，殺菌效果最好。然而，當(dāng)Pd的添加量達(dá)到10%時(shí)，復(fù)合材料的光催化殺菌效果反而有所降低?？梢?，當(dāng)Pd的添加量為7%時(shí)，殺菌性能最優(yōu)。

可見光強(qiáng)度為40 mW/cm2下的7% Pd-B/TiO2復(fù)合材料殺滅大腸桿菌的情況見圖7。由圖7可以明顯看出，在各時(shí)間段大腸桿菌的生長(zhǎng)情況。圖7(a～g)為7% Pd-B/TiO2復(fù)合材料在光強(qiáng)為40 mW/cm2的可見光照射下，在0、40、80、120 min時(shí)，濃度約2×107CFU/mL大腸桿菌在瓊脂平板上的生長(zhǎng)情況；與之對(duì)應(yīng)的圖7b、圖7d、圖7f、圖7h為梯度稀釋后，濃度約2×103CFU/mL大腸桿菌的生長(zhǎng)情況。

圖7 大腸桿菌在7% Pd-B/TiO2復(fù)合材料經(jīng)不同時(shí)間可見光作用下在瓊脂平板上的生長(zhǎng)狀態(tài)

由圖7可見，7% Pd-B/TiO2復(fù)合材料在可見光照射40 min時(shí)，如圖7(a～c)所示，大腸桿菌濃度從約2×107CFU/mL降至約2×106CFU/mL，圖7(b～d)，稀釋后大腸桿菌數(shù)目由200降為20左右，降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)；80 min時(shí)，如圖7(a～e)所示，大腸桿菌濃度從2×107CFU/mL左右降至2×102CFU/mL左右，降低了5個(gè)數(shù)量級(jí)；照射120 min后，如圖7(a～g)所示，大腸桿菌全被殺死，不再生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過(guò)溶劑熱法合成了鈀修飾硼摻雜的二氧化鈦(Pd-B/TiO2)。以硼化鈦為前驅(qū)體經(jīng)過(guò)溶劑熱法制備了硼摻雜TiO2，再經(jīng)過(guò)硼氫化鈉還原鈀到材料表面，最終形成Pd-B/TiO2的納米光催化復(fù)合材料。所合成的納米復(fù)合材料呈不規(guī)則片狀，在可見光區(qū)具有較好光吸收。7% Pd-B/TiO2熒光強(qiáng)度最低，密度為2×107CFU/mL的大腸肝菌混合溶液，在可見光環(huán)境中，2 h就能被其全部殺滅，是一種良好的殺菌材料。