生物法還原氧化石墨烯研究進展

林 童，解春艷*，丁文其，唐 坤

(1.廊坊師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，河北 廊坊 065000;2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072)

石墨烯是一種由sp2雜化碳原子排列成六角蜂窩網(wǎng)狀的單層基底構(gòu)成的二維晶體，是許多碳材料(如碳納米管、石墨等)的構(gòu)成基石[1-2]。石墨烯結(jié)構(gòu)獨特，含有強大的平面σ鍵和π鍵，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、電性能[3-4]、導(dǎo)熱性和電子遷移率，被認為是目前世界上最薄的可拉伸晶體，在傳感器、光電器、存儲、電池、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有非常重要的作用[5-10]。目前，石墨烯的制備采用的是熱解法和化學(xué)氣相沉積法[11]，隨著石墨烯的廣泛應(yīng)用，研究者積極探索適宜大規(guī)模生產(chǎn)且無需復(fù)雜儀器、高溫條件和惰性環(huán)境的生產(chǎn)工藝，而從氧化石墨烯(graphene oxide,GO)經(jīng)還原制備石墨烯是一種有效的替代方法[12]。

GO作為石墨烯制備的前驅(qū)體，具有類似石墨烯的二維結(jié)構(gòu)以及不同于石墨烯的許多獨特性質(zhì)，其單層碳原子在石墨薄片化學(xué)剝離過程中，在基面上和邊緣上被引入含氧基團(羥基、環(huán)氧化合物、羰基等)共價功能化，使其更易于分散處理，具有較高的膠體穩(wěn)定性和獨特的機械、膠體、光學(xué)特性[13-17]，越來越受到研究者的關(guān)注[18-20]。GO通過還原去除含氧基團和原子尺度晶格缺陷，可以恢復(fù)石墨共軛結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)，從而恢復(fù)類石墨烯的性能[17,21-22]。還原方式不同，制備的rGO的性能也存在差異，其中生物法還原因具有環(huán)境友好、易擴大及效率高等優(yōu)勢引起人們的廣泛興趣。為此，作者對近年來微生物還原、糖類還原、氨基酸還原、蛋白質(zhì)還原等綠色生物法還原GO的研究進展進行綜述，分析其可能還原機理及存在的問題，以期為生物法還原制備rGO的深入研究提供新的思路。

1 微生物還原

自Salas等[23]無意間發(fā)現(xiàn)微生物可以還原GO之后，很多微生物被相繼證明能夠還原GO。Akhavan等[24]研究了不同接觸時間下GO薄片與厭氧混合酸發(fā)酵大腸桿菌的相互作用，當(dāng)接觸時間從0 h延長到48 h時，細菌在培養(yǎng)基中的增殖導(dǎo)致GO薄片的脫氧量增加，最高可達60%；GO還原被認為是存活的細菌在含葡萄糖的厭氧條件下通過糖酵解過程的代謝活性，且GO薄片對細菌表面的吸附和增殖具有良好的生物相容性。酵母作為一種廉價而豐富的真核真菌，也具有還原GO的能力，酵母中存在的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)酶可以有效地還原有機酮。Khanra等[25]用貝克酵母作為還原劑和表面改性劑，成功地還原GO得到可分散在水中的生物功能化石墨烯，rGO的電導(dǎo)率為43 S·m-1。

希瓦氏菌(Shewanella)是一種異養(yǎng)兼性厭氧菌，普遍存在于各種環(huán)境中，其代謝產(chǎn)生的電子可以直接從細胞表面轉(zhuǎn)移到外部電子受體，也可以通過自身分泌的電子載體實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，能夠利用大量的有機和無機化合物作為其呼吸途徑的終端電子受體；除氧外，希瓦氏菌還可以以砷酸鹽、氧化鉻、氧化鈾、二甲基亞砜、三甲基亞砜、鐵氧化物、錳氧化物、硝酸鹽和氧化銀等作為其電子受體；對于有毒金屬(如鉻和鈾)，希瓦氏菌能夠?qū)⑵溥€原為不溶形式從而將其從溶液中去除。Salas等[23]以希瓦氏菌為研究對象，確定了微生物還原GO的能力。Yong等[26]和Lin等[27]研究發(fā)現(xiàn)，希瓦氏菌能夠有效還原GO，得到的rGO的電子傳遞效率顯著提高。Lehner等[28]分析發(fā)現(xiàn)，希瓦氏菌還原GO時羥基受影響強烈，而羰基不受影響，這與化學(xué)還原GO形成了鮮明對比。Shen等[29]制備了2種自組裝的希瓦氏菌還原GO水凝膠，表現(xiàn)出較好的剛果紅脫色和六價鉻生物還原性能。希瓦氏菌還原GO操作方便、價格低廉、環(huán)保無毒，具有大規(guī)模生產(chǎn)的可行性和潛在的應(yīng)用前景，但其具體的還原機理還需進一步探究。

自希瓦氏菌被證實具有綠色合成rGO的能力后，枯草芽孢桿菌、玫瑰糖球桿菌和脫硫弧菌也被證實具有還原GO的能力[30-32]，這種具有胞外電子轉(zhuǎn)移能力的細菌能夠?qū)|(zhì)中底物(電子供體)的氧化與不溶性胞外電子受體的還原耦合起來進行呼吸作用，其向GO轉(zhuǎn)移電子的分子機制由外膜細胞色素C直接介導(dǎo)或氧化還原介質(zhì)間接介導(dǎo)。細菌主要由碳(干重50%)、雜原子(如N、P、S)和微量元素組成，可以提供豐富的雜原子來填充碳材料[33]。硫還原地桿菌(Geobactersulfurreducens)是類似于希瓦氏菌的具有強電子傳遞能力的電化學(xué)活性細菌，由于其通過底物氧化產(chǎn)生電(使用導(dǎo)電電極作為電子受體)的杰出性能，在微生物電化學(xué)系統(tǒng)中被普遍作為陽極群落的主要成員。硫還原地桿菌具有與不溶性電子受體接觸的獨特能力，是因為它擁有一個龐大的多血紅色素網(wǎng)，包含外膜細胞色素C和納米絲(微生物蛋白納米線)。Kalathil等[34]使用硫還原地桿菌摻雜/修飾rGO制備用于電催化的混合催化劑(rGO/硫還原地桿菌)，克服了現(xiàn)有制備摻雜/修飾石墨烯的許多缺點，該混合催化劑在堿性電解質(zhì)中對析氧反應(yīng)表現(xiàn)出較高的電催化活性，在過電位270 mV(vs.可逆氫電極)下產(chǎn)生的幾何電流密度為10 mA·cm-2。Lu等[35]對硫還原地桿菌還原GO進行了深入探究，發(fā)現(xiàn)GO含量越高，對細胞膜的損傷越大，最佳含量為0.6 mg·mL-1。硫還原地桿菌還原GO的機理與希瓦氏菌不同，其還原GO主要依賴外膜細胞色素C，特別是在GO含量較低(<0.4 mg·mL-1)時，主要通過微生物細胞/GO界面的細胞外電子傳遞實現(xiàn)還原[35](圖1)，而外膜細胞色素C對細胞外電子傳遞的調(diào)控以及細菌誘導(dǎo)GO還原的關(guān)鍵電子介質(zhì)還有待進一步研究。

OM:outer membrane;IM:inner membrane;mqn:menaquinone;mqnH2:menaquinol;Cyt-C:cytochrome C

微生物還原GO避免了苛刻的化學(xué)物質(zhì)，并有可能使用生物反應(yīng)器進行升級。然而，還原后單個rGO薄片的電導(dǎo)率、平均厚度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量及大規(guī)模生產(chǎn)還需進一步探究。

2 糖類還原

有報道稱普通糖和多糖可作為GO的綠色還原劑，兼具還原劑和穩(wěn)定劑的作用，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的rGO分散液。葡萄糖具有溫和的還原性和無毒的性質(zhì)，所以很自然地被用作還原劑。Zhu等[36]研究了葡萄糖、果糖和蔗糖對GO的還原能力，其中葡萄糖對GO的還原能力最強，其在堿性介質(zhì)中氧化生成醛糖酸，并進一步轉(zhuǎn)化為內(nèi)酯，再與rGO中殘留的氧官能團形成氫鍵，葡萄糖的氧化產(chǎn)物除了對GO具有溫和的還原能力外，還可能作為一種封蓋劑在穩(wěn)定制備狀態(tài)方面發(fā)揮重要作用。Kim等[37]以右旋糖酐作為還原劑，綠色制備了rGO，其電導(dǎo)率為1.1 S·m-1，在氬氣環(huán)境500 ℃下去除右旋糖酐，其電導(dǎo)率提高到10 000 S·m-1。Xu等[38]對葡萄糖、茶多酚和抗壞血酸還原GO進行了比較，發(fā)現(xiàn)葡萄糖開鏈結(jié)構(gòu)上的醛基使其具有獨特的還原性，茶多酚和抗壞血酸則是通過SN2親核反應(yīng)還原GO；3種rGO的電導(dǎo)率分別為3.53 S·cm-1、1.36 S·cm-1和9.8 S·cm-1。

此外，果糖、蔗糖也被成功地證明具有還原GO的能力，所得rGO可在水中穩(wěn)定分散1個月以上。糖類還原已實際應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)水溶性石墨烯納米片。

3 氨基酸還原

L-半胱氨酸是最先報道的能還原GO的氨基酸，它是一種含有硫醇基團的氨基酸，硫醇能夠進行氧化還原反應(yīng)，易被氧化形成二硫化物衍生物胱氨酸；L-半胱氨酸具有抗氧化性能，其抗氧化特性通常表現(xiàn)在谷胱甘肽中。Chen等[39]利用L-半胱氨酸的抗氧化特性，在溫和條件下于水溶液中成功制備了rGO納米片，26 ℃還原72 h后，rGO的電導(dǎo)率比GO提高了約106倍，在GO的還原過程中，L-半胱氨酸的巰基釋放質(zhì)子，這些質(zhì)子通常與GO的含氧基團(如羥基和環(huán)氧基團)有較高的結(jié)合力，從而形成水分子。

甘氨酸是一種環(huán)保型氨基酸，它的氨基能有效地與GO進行共價相互作用，并在回流條件下成功還原GO生成rGO。甘氨酸不僅可以作為化學(xué)功能化劑，還可以作為還原劑，此外，甘氨酸的低價格和無害特性使其成為大規(guī)模制備散裝rGO的有效還原劑。Bose等[40]在溫和條件下使用甘氨酸還原GO，rGO的C/O值高達11.24，比GO提高了5倍，rGO薄片在高能電子束下非常穩(wěn)定。

氨基酸還原GO避免了有毒試劑的使用，還原過程中還原劑和副產(chǎn)物都具有生物相容性。

4 蛋白質(zhì)還原

蛋白質(zhì)是復(fù)雜的兩親性生物聚合物，其表面具有疏水和親水區(qū)域，對固體表面具有黏附性。可以穩(wěn)定吸附在GO/rGO基面上。Liu等[41]在合適的pH值和反應(yīng)溫度下，用牛血清白蛋白(BSA)一步還原GO，構(gòu)建了一個多功能平臺，實現(xiàn)基于石墨烯的雜化材料，特別是與預(yù)合成的具有不同性質(zhì)的納米顆粒的制備(圖2)。但此反應(yīng)對反應(yīng)環(huán)境非常敏感，必須在溫和的條件下進行，反應(yīng)時間較長。Akhavan[42]比較了細菌視紫紅質(zhì)蛋白還原GO與化學(xué)試劑肼還原GO，發(fā)現(xiàn)視紫紅質(zhì)蛋白還原得到的rGO的電導(dǎo)率比肼還原的高一個數(shù)量級，這歸因于有效的脫氧，沒有形成任何的C-N鍵，且視紫紅質(zhì)蛋白具有質(zhì)子泵功能，泵出的質(zhì)子能更好恢復(fù)GO薄片的石墨結(jié)構(gòu)。

圖2 蛋白質(zhì)還原GO的可能機理Fig.2 Possible mechanism of GO reduction by protein

5 結(jié)語

不同的生物法還原制備rGO的還原機理不同，得到的rGO的質(zhì)量和功能化也存在差異。微生物還原操作簡單、價格低廉，但還原后單個rGO薄片的電導(dǎo)率、平均厚度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量及大規(guī)模生產(chǎn)還需進一步探究；糖類還原得到的rGO的電導(dǎo)率高，但是需要高溫或高壓等條件，能耗高；氨基酸或蛋白質(zhì)還原效率高，還原效果好，但氨基酸或蛋白質(zhì)的提取和純化需要一定的技術(shù)條件。未來對生物法還原GO的研究主要集中在以下4個方面：深入探究各種生物法還原GO的機理；探索新的高效、經(jīng)濟、可控的綠色還原GO方法；多種還原方法結(jié)合，提高GO的還原效率和缺陷修復(fù)；拓展還原后rGO的應(yīng)用領(lǐng)域。