一种生物半导体纳米材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及半导体纳米材料以及微生物技术领域，尤其涉及一种生物半导体纳米材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，由于能源和环境危机的日益加剧，加强对太阳能等清洁能源的有效利用与转化将成为实现人类社会可持续发展的重要发展方向之一。光电化学(pec)水分解是将太阳能转化为清洁能源储存的一种有效措施。尽管许多高性能的光阳极材料已被发展，然而光生电荷的有效转移和利用一直是限制其应用的瓶颈。因此，开发一种促进光生电子快速迁移，改善界面电荷转移和表面电荷复合，从而提高pec性能的光阳极半导体材料一直受到学界的关注。
3.近年来，半人工光合体系结合了半导体材料对光能的高效捕获能力及生物的高选择性催化能力，能有效吸收太阳能产生光生电子或还原力并加速电子有效迁移以驱动生物体生产氢气(ye,j.yu,j.zhang,y.et al.light
‑
driven carbon dioxide reduction to methane by methanosarcina barkeri
‑
cds biohybrid.appl.catal.b
‑
environ.,257117916(2019))，这为制备高性能的半导体材料提供了思路，但该体系受到微生物与无机半导体材料(例如cds)表面复合的限制，仍存在光阳极光生电荷动力学缓慢的问题，光电催化活性有待提高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种生物半导体纳米材料及其制备方法和应用，本发明提供的生物半导体纳米材料具有优越的光电催化活性。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种生物半导体纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
7.将可溶性盐、l
‑
半胱氨酸、芽孢杆菌与溶剂混合，得到混合料液；所述可溶性盐中的金属元素或类金属元素为生物半导体纳米材料中的金属元素或类金属元素；
8.将所述混合料液进行孵化，得到孵化液；所述孵化的温度为25～40℃；
9.将所述孵化液进行离心，将上清液进行透析，得到胶体材料；
10.将所述胶体材料进行干燥，得到生物半导体纳米材料。
11.优选地，所述可溶性盐中的金属元素包括ni、bi、cd、au和ag中的一种或几种，类金属元素包括te。
12.优选地，所述芽孢杆菌包括巨大芽孢杆菌或海洋侧孢短芽孢杆菌。
13.优选地，所述混合料液中可溶性盐的浓度为1～40mg/l，l
‑
半胱氨酸的浓度≤0.025mmol/l，芽孢杆菌的有效活菌数为(0.5～2.5)
×
107cfu/ml。
14.优选地，所述孵化的时间为1～7d。
15.优选地，所述离心的次数为3～6次，温度为4～10℃，转速为5000～12000rpm，单次
离心的时间为5～20min。
16.优选地，所述透析采用的透析袋的分子截留量为100～500kda，所述透析的时间为10～48h，所述透析采用的透析介质为水；所述干燥为冷冻干燥。
17.本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的生物半导体纳米材料。
18.本发明提供了上述技术方案所述生物半导体纳米材料在光电催化水分解制氢中的应用。
19.优选地，所述生物半导体纳米材料作为光阳极材料使用。
20.本发明提供了一种生物半导体纳米材料的制备方法。本发明以芽孢杆菌作为“半导体生产器”，通过添加l
‑
半胱氨酸(l
‑
cys)并控制孵化温度使芽孢杆菌分泌含l
‑
cys残基的功能性化合物，该功能性化合物会促进可溶性盐中阳离子转化为半导体纳米材料，同时还会掺杂到半导体纳米材料中，增强其吸收太阳光的能力，且有利于促进载流子的快速迁移，最终得到具有优越光电催化活性的生物半导体材料，可作为光阳极材料克服现有技术中半导体材料存在的光电催化水分解制氢动力学缓慢的问题，具有良好的应用前景。
附图说明
21.图1为实施例1制备的ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys的tem图；
22.图2为实施例1制备的ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys的xrd图；
23.图3为实施例1制备的ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys以及l
‑
cys的ftir图；
24.图4为实施例1制备的ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys的uv
‑
vis drs图；
25.图5为实施例1制备的ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys与对比例1制备的生物半导体纳米材料的lsv图；
26.图6为实施例2制备的p
‑
doped/bi2o3‑
cys的tem图；
27.图7为实施例3制备的p
‑
doped/te
‑
cys的tem图；
28.图8为实施例4制备的p
‑
doped/cds
‑
cys的tem图；
29.图9为实施例5制备的p
‑
doped/auag
‑
cys的tem图。
具体实施方式
30.本发明提供了一种生物半导体纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
31.将可溶性盐、l
‑
半胱氨酸、芽孢杆菌与溶剂混合，得到混合料液；所述可溶性盐中的金属元素或类金属元素为生物半导体纳米材料中的金属元素或类金属元素；
32.将所述混合料液进行孵化，得到孵化液；所述孵化的温度为25～40℃；
33.将所述孵化液进行离心，将上清液进行透析，得到胶体材料；
34.将所述胶体材料进行干燥，得到生物半导体纳米材料。
35.本发明将可溶性盐、l
‑
半胱氨酸、芽孢杆菌与溶剂混合，得到混合料液；所述可溶性盐中的金属元素或类金属元素为生物半导体纳米材料中的金属元素或类金属元素。在本发明中，所述可溶性盐中的金属元素优选包括ni、bi、cd、au和ag中的一种或几种，类金属元素优选包括te，所述可溶性盐优选包括nicl2、bi(no3)3、tecl4、cdcl2、agno3和haucl4中的一种或几种。在本发明中，所述芽孢杆菌优选包括巨大芽孢杆菌或海洋侧孢短芽孢杆菌；本发明对所述巨大芽孢杆菌和海洋侧孢短芽孢杆菌的来源没有特殊限定，在本发明的实施例
中，所述巨大芽孢杆菌优选为b
‑
16
t
菌株(bacillus nematocida sp.nov.,a novel bacterial strain with nematotoxic activity isolated from soil inyunnan,china；xiao
‑
wei huang,qiu
‑
hongniu,wei zhou,ke
‑
qin zhang；systematic andappliedmicrobiology 28(2005)323
‑
327)。在本发明中，巨大芽孢杆菌以及海洋侧孢短芽孢杆菌是一种有益细菌，具有对环境友好、对粮食作物安全、对人畜无害等优点，广泛分布于水、土壤、植物、动物和空气等各种环境中。在本发明中，所述混合料液中可溶性盐的浓度优选为1～40mg/l，更优选为15～30mg/l；l
‑
半胱氨酸的浓度优选≤0.025mmol/l，更优选为0.005～0.015mmol/l；芽孢杆菌的有效活菌数优选为(0.5～2.5)
×
107cfu/ml，更优选为(0.5～1.5)
×
107cfu/ml。在本发明中，所述溶剂优选包括水，所述水优选为无菌蒸馏水。
36.本发明优选将芽孢杆菌进行培养，得到芽孢杆菌发酵液；将可溶性盐溶于水中，得到可溶性盐水溶液；将l
‑
半胱氨酸溶于水中，得到l
‑
半胱氨酸水溶液；将所述芽孢杆菌发酵液、可溶性盐水溶液与l
‑
半胱氨酸水溶液混合，得到所述混合料液。在本发明中，所述芽孢杆菌发酵液的效活菌数优选为(1.0～5.0)
×
109cfu/ml，更优选为(1.0～2.0)
×
109cfu/ml；所述可溶性盐水溶液的浓度优选为1～40mg/l，更优选为10～30mg/l；所述l
‑
半胱氨酸水溶液的浓度优选≤5mmol/l，更优选为1～2mmol/l。本发明对培养芽孢杆菌的具体方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的方法即可。在本发明的实施例中，所述培养的方法包括以下步骤：将芽孢杆菌接种至培养基中进行孵化，得到巨大芽孢杆菌发酵液；所述培养基优选为lb液体培养基；所述孵化的温度优选为25～40℃，更优选为27～35℃；所述孵化的时间优选为15～30h，更优选为20～24h；所述孵化优选在恒温振荡器中进行。在本发明中，所述可溶性盐水溶液以及l
‑
半胱氨酸水溶液在使用前优选独立地进行过滤，以去除其中的杂菌；本发明优选采用0.22μm的滤头对所述可溶性盐水溶液以及l
‑
半胱氨酸水溶液进行过滤。
37.得到混合料液后，本发明将所述混合料液进行孵化，得到孵化液。在本发明中，所述孵化的温度为25～40℃，优选为27～35℃；所述孵化的时间优选为1～7d，更优选为4～5d。在本发明中，所述孵化过程中，在合适的温度条件下同时在l
‑
半胱氨酸作用下，芽孢杆菌会分泌含l
‑
cys残基的功能性化合物，该功能性化合物会促进可溶性盐中阳离子转化为半导体纳米材料，同时还会掺杂到半导体纳米材料中，增强其吸收太阳光的能力，且有利于促进载流子的快速迁移，最终得到具有优越光电催化活性的生物半导体材料，可作为光阳极材料克服现有技术中半导体材料存在的光电催化水分解制氢的动力学缓慢的问题，具有良好的光电催化转化应用前景。其中，孵化过程中温度过高或过低均无法顺利制备得到所述生物半导体纳米材料，具体的，在上述孵化温度范围内有利于保证芽孢杆菌活性，并使可溶性盐中阳离子转化为半导体纳米材料，保证最终制备得到的生物半导体纳米材料具有优越的光电催化活性；含l
‑
cys残基的功能性化合物的分泌以及分泌量与孵化温度以及l
‑
半胱氨酸含量有关，本发明优选控制l
‑
半胱氨酸含量在上述范围内，有利于保证最终所得生物半导体纳米材料具有优异的光电催化活性，而l
‑
半胱氨酸含量过少或过多，均不利于有效改善生物半导体纳米材料的光电催化活性。
38.得到孵化液后，本发明将所述孵化液进行离心，将上清液进行透析，得到胶体材料。在本发明中，所述离心的次数优选为3～6次，更优选为4～5次；温度优选为4～10℃，更优选为4～6℃；转速优选为5000～12000rpm，更优选为10000～12000rpm；单次离心的时间
优选为5～20min，更优选为15～20min。在本发明中，每次离心后将上清液进行下一次离心，将最后一次离心所得上清液进行后续透析。在本发明中，所述透析采用的透析袋的分子截留量优选为100～500kda，更优选为300～500kda；所述透析的时间优选为10～48h，更优选为24～36h；所述透析采用的透析介质为水，所述水优选为超纯水。
39.得到胶体材料后，本发明将所述胶体材料进行干燥，得到生物半导体纳米材料。在本发明中，所述干燥优选为冷冻干燥。
40.本发明采用共培养法制备生物半导体纳米材料，操作简单，且反应条件温和，接近于室温条件，有利于实现规模化生产。
41.本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的生物半导体纳米材料。在本发明中，所述生物半导体纳米材料具有紫外和可见两种吸收带。在本发明的实施例中，所述生物半导体纳米材料包括ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys(x取值范围为1～9)、p
‑
doped/bi2o3‑
cys、p
‑
doped/te
‑
cys、p
‑
doped/cds
‑
cys或p
‑
doped/auag
‑
cys。在本发明中，所述生物半导体纳米材料的尺寸以及形貌与所述生物半导体纳米材料的组成有关，具体的，所述ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys、p
‑
doped/cds
‑
cys以及p
‑
doped/auag
‑
cys为尺寸小于10nm的量子点，所述p
‑
doped/bi2o3‑
cys和p
‑
doped/te
‑
cys为片层结构纳米材料，且p
‑
doped/te
‑
cys的片层表面分布着许多细小的纳米颗粒。
42.本发明提供了上述技术方案所述生物半导体纳米材料在光电催化水分解制氢中的应用。在本发明中，所述生物半导体纳米材料具体是作为光阳极材料使用。本发明优选利用所述生物半导体纳米材料作为光阳极材料制备光电极，所述光电极的制备方法，优选包括以下步骤：
43.将生物半导体纳米材料、nafion溶液、异丙醇与水混合，将所得混合物料涂覆在电极基体表面，干燥后得到光电极。
44.在本发明中，所述nafion溶液的浓度优选为0.5wt％；所述生物半导体纳米材料、nafion溶液、异丙醇与水的用量比优选为(10～20)mg：(1～10)μl：(50～500)μl：(50～500)μl，更优选为(15～20)mg：(3～5)μl：(50～55)μl：(50～55)μl。在本发明中，所述生物半导体纳米材料、nafion溶液、异丙醇与水混合，优选将所述生物半导体纳米材料与nafion溶液混合后进行超声处理，之后将所得物料与异丙醇以及水混合。在本发明中，所述超声处理的时间优选为1～2h。在本发明中，所述电极基体的材质优选为fto，所述混合物料在电极基体表面的涂覆量优选为50～100μl/cm2，更优选为60～80μl/cm2。在本发明中，所述干燥的温度优选为30～40℃，更优选为35℃；本发明对所述干燥的时间没有特殊限定，能够实现充分干燥即可。
45.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.实施例1
47.ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys的制备，步骤如下：
48.s1.培养巨大芽孢杆菌：将巨大芽孢杆菌(b
‑
16
t
菌株)接种至lb液体培养基中，放置于27℃的恒温振荡器中孵化24h，得到巨大芽孢杆菌发酵液；
vs.rhe时电流密度j为4.62ma cm2，而实施例1制备的ni
x
s
x
‑1/ni5p4‑
cys粉末的起始电位为0.42v，在1.23v vs.rhe时电流密度j为5.97macm2。
62.实施例2
63.p
‑
doped/bi2o3‑
cys粉末的制备，步骤如下：
64.s1.培养巨大芽孢杆菌：将巨大芽孢杆菌(b
‑
16
t
菌株)接种至lb液体培养基中，放置于27℃的恒温振荡器中孵化24h，得到巨大芽孢杆菌发酵液；
65.s2.配制200ml浓度为30mg/l的bi(no3)3水溶液，并用0.22μm的滤头过滤以去除bi(no3)3水溶液中的杂菌，得到无菌bi(no3)3水溶液；配制1ml浓度为1mm的l
‑
半胱氨酸水溶液，并用0.22μm的滤头过滤以去除l
‑
半胱氨酸水溶液中的杂菌，得到无菌l
‑
半胱氨酸水溶液；向所述无菌bi(no3)3水溶液中加入所述无菌l
‑
半胱氨酸水溶液和1ml活菌数为1.0
×
109cfu/ml的巨大芽孢杆菌发酵液，将所得混合溶液置于27℃的恒温摇床中孵化5d，得到孵化液；
66.s3.将所述孵化液在12000rpm、4℃的离心机中离心20min，丢弃固体，上清液重复离心4次，将最后一次离心所得上清液置于分子截留量为500kda的透析袋中，并在超纯水中透析36h，得到p
‑
doped/bi2o3‑
cys胶体；将所述p
‑
doped/bi2o3‑
cys胶体进行冷冻干燥，得到p
‑
doped/bi2o3‑
cys粉末。
67.图6为实施例2制备的p
‑
doped/bi2o3‑
cys的tem图，由图6可知，所述p
‑
doped/bi2o3‑
cys为二维片层状的纳米材料。
68.实施例3
69.p
‑
doped/te
‑
cys粉末的制备，步骤如下：
70.s1.培养巨大芽孢杆菌：将巨大芽孢杆菌(b
‑
16
t
菌株)接种至lb液体培养基中，放置于27℃的恒温振荡器中孵化24h，得到巨大芽孢杆菌发酵液；
71.s2.配制200ml浓度为30mg/l的tecl4水溶液，并用0.22μm的滤头过滤以去除tecl4水溶液中的杂菌，得到无菌tecl4水溶液；配制1ml浓度为1mm的l
‑
半胱氨酸水溶液，并用0.22μm的滤头过滤以去除l
‑
半胱氨酸水溶液中的杂菌，得到无菌l
‑
半胱氨酸水溶液；向所述无菌tecl4水溶液中加入所述无菌l
‑
半胱氨酸水溶液和1ml活菌数为1.0
×
109cfu/ml的巨大芽孢杆菌发酵液，将所得混合溶液置于27℃的恒温摇床中孵化4d，得到孵化液；
72.s3.将所述孵化液在12000rpm、4℃的离心机中离心20min，丢弃固体，上清液重复离心4次，将最后一次离心所得上清液置于分子截留量为500kda的透析袋中，并在超纯水中透析36h，得到p
‑
doped/te
‑
cys胶体；将所述p
‑
doped/te
‑
cys胶体进行冷冻干燥，得到p
‑
doped/te
‑
cys粉末。
73.图7为实施例3制备的p
‑
doped/te
‑
cys的tem图，由图7可知，所述p
‑
doped/te
‑
cys为片层结构纳米材料，且在片层表面分布着许多细小的纳米颗粒。
74.实施例4
75.p
‑
doped/cds
‑
cys粉末的制备，步骤如下：
76.s1.培养巨大芽孢杆菌：将巨大芽孢杆菌(b
‑
16
t
菌株)接种至lb液体培养基中，放置于27℃的恒温振荡器中孵化24h，得到巨大芽孢杆菌发酵液；
77.s2.配制200ml浓度为30mg/l的cdcl2水溶液，并用0.22μm的滤头过滤以去除cdcl2水溶液中的杂菌，得到无菌cdcl2水溶液；配制1ml浓度为1mm的l
‑
半胱氨酸水溶液，并用
0.22μm的滤头过滤以去除l
‑
半胱氨酸水溶液中的杂菌，得到无菌l
‑
半胱氨酸水溶液；向所述无菌cdcl2水溶液中加入所述无菌l
‑
半胱氨酸水溶液和1ml有效活菌数为1.0
×
109cfu/ml的巨大芽孢杆菌发酵液，将所得混合溶液置于27℃的恒温摇床中孵化4d，得到孵化液；
78.s3.将所述孵化液在12000rpm、4℃的离心机中离心20min，丢弃固体，上清液重复离心4次，将最后一次离心所得上清液置于分子截留量为500kda的透析袋中，并在超纯水中透析36h，得到p
‑
doped/cds
‑
cys胶体；将所述p
‑
doped/cds
‑
cys胶体进行冷冻干燥，得到p
‑
doped/cds
‑
cys粉末。
79.图8为实施例4制备的p
‑
doped/cds
‑
cys的tem图，由图8可知，所述p
‑
doped/cds
‑
cys为量子点，其尺寸约为5nm。
80.实施例5
81.p
‑
doped/auag
‑
cys的制备，步骤如下：
82.s1.培养海洋侧孢短芽孢杆菌：将海洋侧孢短芽孢杆菌接种至lb液体培养基中，放置于27℃的恒温振荡器中孵化24h，得到海洋侧孢短芽孢杆菌发酵液；
83.s2.分别配制100ml浓度为30mg/l的agno3水溶液和haucl4水溶液，并用0.22μm的滤头过滤以去除杂菌，得到无菌agno3水溶液和无菌haucl4水溶液；配制1ml浓度为1mm的l
‑
半胱氨酸水溶液，并用0.22μm的滤头过滤以去除l
‑
半胱氨酸水溶液中的杂菌，得到无菌l
‑
半胱氨酸水溶液；将所述无菌agno3水溶液、无菌haucl4水溶液、无菌l
‑
半胱氨酸水溶液与1ml有效活菌数为1.0
×
109cfu/ml的海洋侧孢短芽孢杆菌发酵液混合，将所得混合溶液置于27℃的恒温摇床中孵化4d，得到孵化液；
84.s3.将所述孵化液在12000rpm、4℃的离心机中离心20min，丢弃固体，上清液重复离心4次，将最后一次离心所得上清液置于分子截留量为500kda的透析袋中，并在超纯水中透析36h，得到p
‑
doped/auag
‑
cys胶体；将所述p
‑
doped/auag
‑
cys胶体进行冷冻干燥，得到p
‑
doped/auag
‑
cys粉末。
85.图9为实施例5制备的p
‑
doped/auag
‑
cys的tem图，由图9可知，所述p
‑
doped/auag
‑
cys为量子点，其尺寸为1～5nm。
86.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。