Au/TiO2復合物的制備、表征及其增強光催化滅菌活性

王玉梅，冀海偉，常通，畢玉水

（山東第一醫科大學(山東省醫學科學院）化學與制藥工程學院，山東泰安271016）

半導體光催化是20 世紀70 年代發展起來的新興催化技術，具有高效、安全、環境友好等優點，在能源開發、環境保護、生物醫藥等領域具有良好應用前景[1]。隨著光催化技術的發展，ZnO、TiO2、CdTe、CdS 等多種光催化材料得到廣泛關注[2]。自1972 年Fujishima 和Honda 發現TiO2單晶能夠光催化分解水產氫以來[3]，n 型半導體氧化物TiO2憑借其活性高、化學穩定性好、價廉、無毒等優點成為光催化研究熱點。

TiO2的能帶是由低能價帶、高能導帶和兩者之間的禁帶組成。當TiO2被能量大于或等于其帶隙能的光子照射時，價帶上的電子被激發，越過禁帶進入導帶，形成帶負電的電子（e-），同時在價帶上形成帶正電的空穴（h+），即電子-空穴對。這些高活性載流子能與水、氧氣等分子反應，生成具有強氧化作用的活性氧（ROS），如羥基自由基（·OH）。ROS 不僅能將有機污染物降解為H2O 和CO2等小分子無害物質，還能氧化損傷腫瘤細胞的細胞膜并誘其凋亡，分解細菌細胞壁和細胞膜上的生物分子從而殺死細菌[4]。但是，TiO2的禁帶寬度較大，光響應范圍窄，只能吸收紫外光（占太陽光的3%～5%），難吸收可見光，限制了其對太陽光的利用；此外，即使光子被TiO2吸收，由于電荷復合，光生電子和空穴會迅速淬滅[5]，導致光催化效率降低。因此，有必要通過擴展其光響應范圍和減少電子-空穴對復合來提升其光催化作用。

為提高TiO2在可見光下的吸收并增強其催化效能，研究人員提出了金屬摻雜、非金屬摻雜、復合半導體、染料敏化等方法[6-8]。其中，表面貴金屬沉積法在拓寬TiO2光響應范圍、抑制電子-空穴對復合，提高光催化效率方面具有明顯優勢。理論上，Au 納米粒子表面等離子體共振效應能顯著改善TiO2的可見光響應性能，并且貴金屬和TiO2之間形成的肖特恩勢壘可實現光生電子在TiO2和貴金屬之間的高效轉移，促進光生電子與空穴有效分離，從而提高TiO2光催化能力[9]，在抗菌領域具有潛在的應用價值。

大腸桿菌（E.coli）是廣泛分布于自然界的典型的革蘭陰性菌代表菌。生產和生活中，未經處理的工業廢水、生活廢水、醫療廢水等水體中大量存在的E.coli不僅對環境造成污染更嚴重威脅人類健康。目前常用的E.coli抗菌劑包括天然、有機和無機三類。天然抗菌劑一般從植物中提取，但由于來源有限、提取成本高、提取物穩定性差等短板受到一定限制。有機抗菌劑的耐受性和穩定性較弱，易產生耐藥性，自身分解產物和揮發物或對人體有害。無機抗菌劑包括金屬型和光催化型兩大類，具有持久抑菌、耐高溫、無耐藥性等優勢。自1985年Matsunaga 等[10]首次發現無機TiO2在紫外光照射下具有催化殺菌作用以來，TiO2作為一種便捷的催化氧化材料在光催化抗菌領域的應用愈來愈受關注。Huang 等[11]用TiO2結合紫外光作用于E. coli，使其細胞壁、細胞質膜及細胞內成分相繼發生變化最終導致死亡；Sunada等[12]成功地應用TiO2光催化氧化法去除飲用水中E.coli；Tom 等[13]采用有機溶劑熱還原法制備了核殼結構的Au@TiO2納米顆粒，但該法操作較為復雜且易產生二次有機污染；此外，該工作僅考察了Au@TiO2的光譜學特征，并未進行滅菌性能的相關研究。

本文采用較為簡便的沉積-沉淀法制備了可見光響應性較好的負載型Au/TiO2系列復合物，利用XRD、FTIR、XPS、UV-vis DRS、熒光發射光譜、自由基捕獲等對樣品進行表征；以氙燈為光源模擬太陽光，將Au/TiO2運用于光催化殺滅E. coli實驗并與純TiO2作比較，詳細考察了Au 含量、光照時間、光照強度、光催化劑用量等因素對Au/TiO2光催化滅菌性能的影響，探討了光催化劑結構、表面性質、光學性質與催化活性之間的關系。

1 實驗材料和方法

1.1 試劑與儀器

無水乙醇（AR），購自天津市永大化學試劑有限公司；氫氧化鈉（AR）、濃鹽酸（AR），購自國藥集團化學試劑有限公司；鈦酸四丁酯（CP）、氯化金(Ⅲ)三水合物（CP），購自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；E.coli，實驗室自留；瓊脂粉、蛋白胨、氯化鈉、酵母提取物均為分析純；蒸餾水自制。

DF-101S型集熱式磁力加熱攪拌器，上海予名儀器設備有限公司；KQ-600DB 型超聲波振蕩器，昆山市超聲儀器有限公司；DT5-2B 型離心機，北京時代北利離心機有限公司；HPX-9052MBE 型電熱恒溫干燥箱，上海博訊實業有限公司；SX-4-10型馬弗爐，天津市泰斯特儀器有限公司；YXQSG46-280SA 型高壓蒸汽滅菌器，上海博迅醫療生物儀器有限公司；SW-CJ-2F型超凈工作臺，蘇州安泰空氣技術有限公司；DHZ-300L型臺式冷凍恒溫振蕩器，寧波新芝生物科技有限公司；GNP-9050 型隔水式恒溫培養箱，上海精宏實驗設備有限公司；HSX-F300型氙燈平行光源，北京紐比特科技有限公司。

1.2 材料的制備

溶膠-凝膠法制備TiO2步驟如下：向錐形瓶中加入20mL 無水乙醇、7mL 鈦酸四丁酯，超聲分散6min，于40℃水浴中磁力攪拌30min，緩慢滴加20mL 無水乙醇、2mL 蒸餾水和0.14mL 濃鹽酸組成的混合液，攪拌反應20min，形成凝膠，常溫陳化60min，之后在70℃烘箱中干燥，研細后于450℃馬弗爐中焙燒4h。

沉積-沉淀法制備Au/TiO2系列復合物步驟為：用1mol/L 氫氧化鈉將計算量氯化金(Ⅲ)三水合物水溶液（1g/100mL）調節pH 至7，攪拌條件下將1.64g TiO2分散于其中，在60℃水浴中反應1.5h；將懸浮液離心，水洗濾餅數次，常溫干燥24h后在60℃烘箱中烘干，研磨后置于馬弗爐中450℃焙燒4h。所得系列Au/TiO2復合物中Au含量為質量分數。

1.3 Au/TiO2復合物的表征

1.3.1 表征儀器

利用X射線衍射儀（XRD，TD-3500型，通達科技公司）分析樣品的晶相結構，Cu Kα激發源，管壓35kV，管流25mA，連續掃描速度0.2°/s。利用傅里葉紅外光譜（FTIR，AVATAR370 型，美國Thermo Nicolet 公司）分析樣品的官能團，以KBr壓片法進行測試。利用X 射線光電子能譜（XPS，ESCALAB 250Xi 型，美國Thermo Fisher 公司）分析樣品的表面化學組成和結合狀態，以污染碳C1s（284.8eV）校準結合能。固體紫外可見漫反射測試（UV-vis DRS） 使 用 日 本Shimadzu 公 司 的UV-2450PC型紫外可見分光光度計進行，以高純硫酸鋇固體粉末為標準試劑，波長測量范圍220～800nm。熒光發射光譜由日本Shimadzu 公司RF-5301PC 型熒光光譜儀在激發波長325nm，發射波長掃描范圍350～600nm條件下測量。

1.3.2 羥基自由基測定

利用對苯二甲酸熒光探針技術[14]對樣品表面在光激發下產生的·OH 進行檢測。測定過程：分別配置濃度為1×10-3mol/L 對苯二甲酸水溶液和濃度為4×10-3mol/L 氫氧化鈉水溶液；分別稱取100mg Au/TiO2復合物和純TiO2，加入裝有100mL 對苯二甲酸和氫氧化鈉等體積混合液的燒杯中；將其置于氙燈光源下（液面光強3.7mW/cm2）磁力攪拌，每15min 取5mL 混懸液，經12000r/min 離心機離心8min 取上清液。對照實驗為黑暗條件下處理的混懸液。上述離心所得上清液采用熒光分光光度計檢測熒光強度，檢測條件：激發波長為315nm，發射波長掃描范圍315～650nm。

1.4 Au/TiO2復合物對大腸桿菌的光催化抗菌活性測定

將液體培養基和加入瓊脂的固體培養基分裝于錐形瓶中，在120℃高壓滅菌鍋內滅菌30min；培養皿置于170℃高溫滅菌箱內滅菌2h。將200μLE.coli菌液（濃度1010cfu/mL）接種到裝有30mL 液體培養基的錐形瓶中，置于37℃、轉速170r/min恒溫搖床中培養12h。取出后將菌液稀釋100 倍。稱取0.01g Au/TiO2分散到1mL水中，制成10mg/mL 水分散液。在24 孔板相應的孔中加入10μL Au/TiO2水分散液和990μL 菌液，得到濃度100μg/mL 懸液。進行分組實驗，實驗分為空白組、光照對照組、光催化劑對照組和實驗組。空白組為常規培養的細菌；光照對照組為光照條件下培養細菌；光催化劑對照組為黑暗條件下只加光催化劑培養細菌；實驗組為光照+光催化劑條件下培養細菌。光化學實驗用氙燈為光源進行照射（光強7mW/cm2）。實驗完畢，將24 孔板相應孔中的菌懸液利用液體培養基進行二次梯度稀釋，稀釋104倍，取出150μL 菌懸液均勻涂布于固體培養基表面，涂布完成后將平板置于超凈臺中放置20min，再將平板倒置放入培養箱中在37℃恒溫條件下培養36h。取出后用相機單獨拍照觀察，并采用菌落計數法計算細菌存活率，重復實驗3次。存活率計算如式(1)。

式中，N0為初始（空白）菌落數；Nt為不同處理時間點的菌落數。

2 結果與討論

2.1 物相結構分析

為了確定樣品的物相結構，采用X射線衍射儀對樣品進行了XRD 表征。圖1 是純TiO2和Au/TiO2系列復合物的XRD 圖，由圖1 可知，純TiO2和Au/TiO2復 合物在25.57°、37.99°、48.16°、54.15°、55.28°、62.77°處均出現了特征衍射峰，分別對應于銳鈦礦TiO2標準XRD 卡片（JCPDS 65-5714）的（101）、（004）、（200）、（105）、（211）、（204）衍射晶面，并且與Xiao[15]和Ismail 等[16]的研究結果相一致。上述結果表明，所制樣品中TiO2均為銳鈦礦相，且Au的負載沒有改變TiO2晶相結構。

圖1 不同Au含量的Au/TiO2復合物的XRD

從圖1 可以看出，當Au 負載量小于0.5%時，未出現Au的衍射峰，這是由于Au負載量太少或處于高分散狀態所致。當Au負載量大于0.5%時，在38.09°、44.17°、64.79°、77.39°處的衍射峰分別對應 于Au 標 準XRD 卡 片（JCPDS 65-2870） 的（111）、（200）、（220）、（311）晶面，表明零價金（Au0）成功負載至TiO2；Au 負載量越高，其衍射峰越強。根據謝爾樂方程[17]計算得，TiO2的平均粒徑為12.7nm；Au/TiO2系列復合物中Au的平均粒徑為8.7～10.6nm；Au/TiO2中，隨著Au 含量的增加，Au粒徑略有增加（見表1）。TiO2和Au/TiO2水分散液的動態光散射（DLS）實驗測試結果顯示，由于粒子在水相中二次團聚其水合粒徑均高于XRD 計算值，此結果與文獻結果一致[18]；隨著Au 含量的增加，Au/TiO2水合粒徑逐漸變大（見表1）。

表1 Au/TiO2的XRD和DLS分析結果

2.2 FTIR分析

為了研究樣品的結構和化學鍵，采用紅外光譜儀對純TiO2和Au/TiO2系列復合物進行FTIR 表征。由圖2 可知，400～650cm-1的吸收峰為TiO2晶體中Ti O Ti 鍵的伸縮振動產生的特征吸收峰[19]；1350cm-1附近的弱吸收峰歸屬于Ti OH 的吸收峰[20]；1641cm-1附近的吸收峰源自TiO2表面吸附水分子的 OH 彎曲振動；3434cm-1附近的寬峰是由表面吸附水分子的 OH 基團伸縮振動產生的特征吸收[21]。不同Au 含量的Au/TiO2的紅外光譜與純TiO2比較，其吸收峰的峰形和峰位未見明顯變化，表明Au負載量的變化對TiO2的結構沒有顯著影響。

圖2 不同Au含量的Au/TiO2復合物的FTIR

2.3 Au含量對Au/TiO2復合物光催化滅菌活性評價

以氙燈為光源，考察了Au含量對Au/TiO2復合物滅菌活性的影響，在光照時間60min、光照強度7mW/cm2、光催化劑濃度100μg/mL 條件下，其滅菌效果如圖3 所示，計算結果見圖4。空白組、光照對照組、3%Au/TiO2復合物無光照組，滅菌效果如圖3(a)、(b)、(h)所示；與空白組相比，單獨光照、單獨Au/TiO2復合物對E. coli存活率雖有一定影響，但不明顯；60min 時E.coli存活率均在90%以上，分別為92.1%、91.6%。Au/TiO2光催化處理組均具有較好的滅菌活性，且摻雜Au 的TiO2比純TiO2具有更高的光催化滅菌活性[圖3(c)～(k)，圖4]。對于純TiO2，光催化處理60min 時，E. coli存活率仍高達63.6%。對于Au/TiO2，當Au 摻雜量較少時，隨著摻雜量的增加，Au/TiO2對E.coli的光催化滅菌率逐漸增大；當Au摻雜量增至3%時，E.coli的存活率僅為8.7%；當Au 摻雜量大于3%時，若繼續加大Au含量，E.coli的滅活率反而逐漸下降。

圖3 不同Au含量的Au/TiO2復合物對大腸桿菌光催化殺滅效果

2.4 XPS分析

圖4 Au/TiO2復合物和純TiO2光催化作用對大腸桿菌存活率的影響

為探究Au/TiO2的表面化學組成和結合態，選取3%Au/TiO2進行了XPS 測試，結果如圖5 所示，樣品的結合能以C1s（284.8eV）為標準進行了荷電校正。圖5(a)是Au/TiO2的XPS 全譜分析，由圖可知，Au/TiO2中含有C、Ti、Au和O元素，C為用于校正XPS 譜峰而引入的污染碳。圖5(b)是Au/TiO2中Ti2p 的XPS 譜，電子結合能位于458.5eV 和464.2eV 處的峰，分別對應Ti4+的Ti2p3/2和Ti2p1/2，與文獻[22]報道一致。圖5(c)是Au/TiO2中Au4f的XPS譜，由圖可知，Au4f7/2在83.1eV 的結合能和Au4f5/2在86.7eV 的結合能與Au+4f7/2（84.6eV）和Au3+4f5/2（87eV） 的結合能存在顯著差異，但與Au04f7/2（84.0eV）標準結合能相似，說明Au主要以零價態存在[23]。但Au4f7/2峰位與Au0（84.0eV）相比發生了0.9eV 的負位移，這是因為金粒子與TiO2載體產生了一定的相互作用，金表現出俘獲電子的特征，而這種相互作用通常在催化活性中具有重要的促進作用[24]。圖5(d)是Au/TiO2中O1s 的XPS 譜，O1s 峰形不對稱，說明至少存在兩種形式的氧，分峰處理后可見，O1s 的核心譜峰位于529.7eV，這歸因于TiO2的表面晶格氧；另一個小峰出現在531.6eV，表明樣品表面還存在另一種類型的氧，這種吸附氧可歸結于樣品表面羥基氧[25]。

2.5 UV-vis DRS分析

為分析Au/TiO2的光催化活性，對其紫外-可見吸收性能進行了UV-vis DRS 分析，同時與純TiO2進行比較。由圖6可知，純TiO2在395nm波長附近顯現出陡峭的吸收邊，表明對光能的吸收集中在紫外區，而對400nm以上的可見光難以響應。相比純TiO2，Au/TiO2不僅能吸收紫外光，對可見光也表現出很強的吸收，負載少量Au 的TiO2即可出現明顯的紅移現象；這是由于Au 納米粒被入射光激發時因內部自由電子的協同振蕩而產生局域表面等離子體共振，Au 表面的局域電磁場被增強，表現出很強的表面等離子體共振吸收[23]，使Au/TiO2對可見光的吸收波長范圍增加，加速了光生電子對在Au 與TiO2之間的轉移。Au 的吸收和TiO2的本征吸收相疊加即Au與TiO2之間形成肖特基勢壘特征[26]，有效地促進光生載流子的分離。這種增強的可見光吸收效應和載流子分離作用對提高Au/TiO2的光催化活性尤為關鍵。由圖6 還可發現，隨著Au 含量的增加，Au/TiO2對可見光的吸收能力逐漸加強；但當Au含量大于3%后，其對可見光的吸收能力逐漸下降；究其原因，一方面可能是由于Au 顆粒的大量聚集減小了TiO2對可見光的曝光面積，使光響應范圍變窄，從而降低了催化能力；另一方面，隨著Au 的含量增加，其粒徑變大（如圖1 和表1），Au的有效利用率降低；這與活性評價結果一致。

圖5 Au/TiO2復合物的XPS圖

圖6 不同Au含量的Au/TiO2復合物的UV-vis DRS

2.6 熒光發射光譜分析

對于半導體材料，光致熒光光譜與光生電子、光生空穴的轉移性能密切相關，通過熒光強度能直接反映半導體光催化材料中光誘導載流子的分離性能和復合率。較低的熒光強度說明光催化劑具有更高的光生電子-空穴對分離效率。為進一步探究Au摻雜對TiO2中光致電子-空穴對復合的影響，進行了熒光光譜測試。由圖7可知，純TiO2在395nm和468nm 處呈現出強熒光峰，而Au/TiO2的熒光強度明顯低于TiO2，表明Au摻雜促進了電子-空穴對分離，降低了二者的復合，有利于提高光催化效率[27]。分析圖7 并結合前面的光催化活性結果還發現，隨著Au 摻入量的增加，Au/TiO2中電子-空穴對的復合率逐漸降低，從而使其光催化效率逐漸提升；3%Au/TiO2中電子-空穴對重組受到最明顯的抑制，光催化效率達到峰值；當Au摻雜量大于3%時，電子-空穴對復合率反而有所上升，致使光催化效率有所下降。

圖7 不同Au含量的Au/TiO2復合物的PL

2.7 羥基自由基測定

對苯二甲酸是一種羥基自由基捕獲劑，其本身是無熒光的物質，但對苯二甲酸極易與·OH 反應生成高熒光產物2-羥基對苯二甲酸，2-羥基對苯二甲酸的熒光峰強度正比于·OH自由基形成數量[28-29]；因此，可利用對苯二甲酸作為熒光探針對樣品表面在光激發下產生的·OH 進行定性檢測。圖8 是3%Au/TiO2在經氙燈照射處理不同時間段、特定激發波長（315nm）下·OH 的產生效果圖。由圖可知，Au/TiO2復合物隨著光照時間的增加，2-羥基對苯二甲酸（峰位427nm）的熒光強度逐漸增大，此結果表明形成·OH 的數量與光照時間成正相關。熒光強度的增加意味著Au/TiO2產生了更多的·OH，這些·OH 活性氧物質在光催化氧化滅菌過程中扮演了重要角色。

圖8 Au/TiO2復合物光致發光熒光強度隨時間的變化

2.8 光照時間對Au/TiO2復合物光催化滅菌活性的影響

為進一步考察光照反應時間對Au/TiO2光催化滅菌活性的影響，以高活性的3%Au/TiO2為例，研究了其在特定光照強度（7mW/cm2）、特定催化劑濃度（100μg/mL）條件下，光照時間對E.coli滅菌效果的影響。從圖9 可以看出，3%Au/TiO2與純TiO2二者對E.coli的光催化殺滅活性均隨著時間的推移而遞增，且3%Au/TiO2比純TiO2具有更優異的光催化活性。光照60min 時，3%Au/TiO2和純TiO2對E.coli的滅菌率分別為91.3%和36.4%。這主要是因為大量的光子從TiO2的價帶躍遷至導帶形成許多光生-電子空穴對，電子-空穴對不斷地將OH-和O2氧化成·OH，活性·OH氧物質持續攻擊細菌并最終使之氧化損傷死亡[30]。Au 修飾后的TiO2由于拓寬了光響應范圍并顯著抑制了載流子復合，因而其催化活性得以更好持續發揮。

圖9 3%Au/TiO2和純TiO2光催化殺滅大腸桿菌的存活率隨光照時間的變化

2.9 光照強度對Au/TiO2復合物光催化滅菌活性的影響

為進一步研究光照強度對Au/TiO2光催化滅菌性能的影響，以活性較佳的3%Au/TiO2為例，測試其在特定光照時間（60min）、特定催化劑濃度（100μg/mL）條件下，光照強度對E.coli滅菌效果的影響。從圖10可以看出，無論是3%Au/TiO2還是純TiO2，隨著光照強度的增加，E.coli存活率逐漸降低。這種變化趨勢是由于隨著光照強度的增加，可被吸收的光子增多，產生更多的羥基自由基等氧化劑的緣故[31]。

圖10 3%Au/TiO2和純TiO2光催化殺滅大腸桿菌的存活率隨光照強度的變化

2.10 催化劑濃度對Au/TiO2復合物光催化滅菌活性的影響

圖11 3%Au/TiO2和純TiO2光催化殺滅大腸桿菌的存活率隨催化劑濃度的變化

本文還考察了催化劑濃度對E.coli殺菌性能的影響，同樣選取3%Au/TiO2為代表，在特定光照時間（60min）、特定光照強度（7mW/cm2）的條件下進行測試，結果如圖11所示。E.coli的存活率隨著Au/TiO2濃度的增加呈現出先減小后增加的趨勢。當Au/TiO2濃度為10μg/mL時，E.coli的存活率仍較高，為87.9%；這可能是由于Au/TiO2濃度太低，光照射激發產生的電子-空穴對及·OH等活性位點較少所致。隨著Au/TiO2濃度提高到100μg/mL，E.coli的存活率低至8.7%，滅菌效率最高；原因是一定范圍內，催化劑濃度的增加，使得吸收光子幾率增大，被光激發產生的光生電子與空穴增加，衍生的·OH 等活性位點數量增多，滅菌效率得到提升。然而，當Au/TiO2濃度進一步增大后，在200～700μg/mL 范圍內E. coli存活率漸漸升高，這可能是由于Au/TiO2顆粒含量的增加使溶液變得渾濁，散射和反射加劇，影響了光的透射，可利用的光相對減少，使得催化劑對光子的吸收減少，從而光催化效率降低；另一方面，過多Au/TiO2的加入可能會導致其自身發生團聚，不僅會減少反應的活性位點，還有可能成為載流子的重組中心，降低量子效率[32-33]，從而使光催化效率降低。

3 結論

本文采用沉積-沉淀法制備了系列Au/TiO2復合物光催化劑。XRD 和XPS 等結果證實Au/TiO2中TiO2為銳鈦礦相且Au 以零價態存在。UV-vis DRS和熒光發射光譜結果證明，利用Au 進行表面修飾不僅拓寬了TiO2的光響應范圍，還顯著抑制了光生載流子的復合，有助于提高其光催化效能。以氙燈為光源，將Au/TiO2運用于光催化殺滅E. coli，同時與純TiO2進行了對比研究。結果表明：Au/TiO2與TiO2的光催化滅菌活性與光照時間和光強度均成正比，Au 改性TiO2的光催化滅菌活性高于單純TiO2，摻雜Au的最佳質量含量為3%，Au/TiO2的濃度宜控制在100μg/mL 左右。與純TiO2相比，Au/TiO2復合物具有顯著增強的光催化滅菌活性，是一種有應用前景的滅菌光敏劑。