典型异化金属还原菌及其胞外多聚物合成贵金属纳米颗粒的研究
发布时间：2020-08-20 23:38
【摘要】：由于量子效应对物质性能和结构的影响,纳米材料往往具有特殊的理化性质,其在光学、催化化学及电子等领域有广泛的应用。传统上,纳米材料通过物理和化学方法合成,但这些方法通常成本高,需要使用有毒试剂或产生有毒副产物,容易对环境造成二次污染。生物法合成纳米材料可以避免有毒有害化学物质的使用,并且在常温常压下进行,具有成本低和环境友好的优点。本研究着眼于环境功能性纳米材料的绿色合成与应用,利用异化金属还原菌的典型菌株:硫还原泥杆菌(Geobacter sulfurreducens)和奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensisMR-1)合成具有优良催化活性的生物单金属、双金属和磁性双金属纳米颗粒并将其应用于典型难降解污染物的处理;同时研究腐败希瓦氏菌(Shewanella putrefcciens CN-32)分泌的胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)在含铁矿物存在下对金属离子的还原,取得的研究成果如下:利用 G.sulfurreducen 还原 Pd(Ⅱ)合成生物钯(biogenic Pd(0),bio-Pd)。通过透射电镜、能量色散X射线和X射线衍射等表征证实纳米尺度的Pd(0)颗粒分布于细胞表面和细胞周质中。增大生物量与钯的质量比以及添加蒽醌-2,6-二磺酸盐(anthraquinone-2,6-disulfonate,AQDS)可以加快细胞还原 Pd(Ⅱ)的速率,有利于形成粒径更小、数量更多且对Cr(Ⅵ)的催化还原能力更强的纳米颗粒。用米氏方程描述Cr(Ⅵ)的比还原速率和初始Cr(Ⅵ)浓度之间的关系,经计算Km和Vmax分别为891.3 μmol 1-1和3.6 μmol h-1 mg-1 bio-Pd。双金属纳米材料往往具有更高的催化活性和稳定性。本研究利用S.oneidensis MR-1 合成 bio-Pd、生物铂(biogenic Pt,bio-Pt)和生物钯铂(biogenic PdPt,bio-PdPt)。添加 AQDS可以提高细胞还原Pd(Ⅱ)或/和Pt(Ⅳ)的效率,促进细胞合成粒径更小的bio-PdQ、bio-PtQ和bio-PdPtQ。合成的六种纳米颗粒均能催化硼氢化钠还原4-硝基酚,其活性顺序为:bio-PdPtQ～bio-PdPtbio-PdQbio-Pdbio-PtQ～bio-Pt。bio-PdPtQ 的催化活性最高,经六次循环使用后4-硝基酚的还原率仍可达92%以上。针对纳米材料普遍存在难以回收和重复使用的问题,本研究利用S.oneidensis MR-1将无磁性的四方纤铁矿转化为有磁性的Fe304纳米颗粒,并将其作为载体进一步合成可磁性回收的Pd/Fe3O4、Au/Fe304和PdAu/Fe304。Fe304表面的胞外组分不仅参与磁铁表面PdAu合金的形成,而且可以改变Fe304的形貌,将Fe304由颗粒状转化为杆状。Pd/Fe304、Au/Fe304和PdAu/Fe304纳米颗粒均能催化硼氢化钠还原4-硝基酚,其表观动力学常数kapp分别为0.1671、0.0255和0.3282min-1。PdAu/Fe304的催化活性最高,经八次循环使用后4-硝基酚的还原率仍可达87%以上。此外,合成的三种纳米颗粒均可不同程度地催化硼氢化钠对硝基苯、2-硝基甲苯、3-硝基甲苯、4-硝基甲苯、2-硝基酚、3-硝基酚和4-氯硝基苯的还原,其催化活性顺序为:PdAu/Fe3O4Pd/Fe3O4Au/Fe3O4。微生物分泌的EPS能将多种金属离子还原为相应的金属纳米颗粒。S.putrefaciens CN-32分泌的紧密型胞外多聚物(bound-EPS,B-EPS)和松散型胞外多聚物(loosely-EPS,L-EPS)均可以将Ag+还原为Ag(0)纳米颗粒。当赤铁矿纳米颗粒(α-Fe2O3)存在时,α-Fe2O3对不同EPS的吸附动力学符合准二级动力学方程,且对L-EPS的吸附量大于B-EPS。此外,α-Fe2O3纳米颗粒促进了 EPS对Ag+的还原,同时发现在α-Fe2O3表面形成的Ag(0)纳米颗粒比游离在溶液中的粒径大且含量高。X射线光电子能谱表明吸附于α-Fe2O3表面的EPS中半缩醛基团起还原Ag+的主要作用。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X592;X172
【图文】：
逦典型异化金属还原菌及其胞外多聚物合成贵金属纳米颗粒的研宄逦逡逑ＭＲ－１首先制备出ＰｄＡｕ合金纳米颗粒（ｂｉｏ－ＰｄＡｕ），在此基础上添加石墨烯氧化物逡逑（ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｏｘｉｄｅ，邋Ｇ０），形成具有核／壳／壳结构的细菌／ｂｉｏ－ＰｄＡｕ／还原氧化石墨q妫ǎ猓椋铮义希校洌粒酰颍澹洌酰悖澹溴澹牵襄澹ǎ颍牵希┥锬ぃㄍ迹保玻弥稚锬ぴ谒嵝院图钚蕴跫露孕》肿佑谢义衔锏难趸从χ斜硐殖霰绕胀ɑВ校洌酶康牡绱呋钚院臀榷ㄐ裕郏矗保薄ｅ义希浚忮危体义
本文编号：2798595
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X592;X172
【图文】：
逦典型异化金属还原菌及其胞外多聚物合成贵金属纳米颗粒的研宄逦逡逑ＭＲ－１首先制备出ＰｄＡｕ合金纳米颗粒（ｂｉｏ－ＰｄＡｕ），在此基础上添加石墨烯氧化物逡逑（ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｏｘｉｄｅ，邋Ｇ０），形成具有核／壳／壳结构的细菌／ｂｉｏ－ＰｄＡｕ／还原氧化石墨q妫ǎ猓椋铮义希校洌粒酰颍澹洌酰悖澹溴澹牵襄澹ǎ颍牵希┥锬ぃㄍ迹保玻弥稚锬ぴ谒嵝院图钚蕴跫露孕》肿佑谢义衔锏难趸从χ斜硐殖霰绕胀ɑВ校洌酶康牡绱呋钚院臀榷ㄐ裕郏矗保薄ｅ义希浚忮危体义
本文编号：2798595
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