Ag/g-C3N4納米片的制備及可見光催化抗菌性能研究

李 娟，趙 丹，管首江，劉向榮，徐秋月，馬占強

(1.洛陽理工學院環境工程與化學學院，洛陽 471023；2.河南科技大學農學院，洛陽 471023)

0 引 言

水是人類賴以生存的“生命之源”，獲得安全的飲用水是人類生存的基本要求。飲用水中的細菌嚴重威脅著人類健康，細菌超標的飲用水可導致多種疾病的發生，飲用水的殺菌消毒是維持人類健康的必然要求。目前常用的飲用水消毒殺菌劑有液氯、氯胺、二氧化氯、紫外線、臭氧等[1-3]。飲用水采用液氯消毒后，會產生消毒副產物三氯甲烷，而三氯甲烷是具有致癌、致畸、致突變的“三致”物質，使得人類健康面臨潛在威脅[4]。氯胺消毒生成的副產物較少，但其消毒能力較弱。二氧化氯與有機物的反應是選擇性的[5]，消毒副產物少，且殺菌能力強，消毒速度快，持續時間長，適用水質范圍廣，但消毒成本高，且在水中的穩定性較差。紫外線消毒不會在飲用水中引入其它雜質，避免產生有害的消毒副產物，但其不具有持續消毒能力，離開紫外線后易產生微生物復活的問題。臭氧是一種廣譜高效的殺菌消毒劑，但其工程實踐中需現場制備，同時還會產生消毒副產物溴酸根離子，影響人類的健康。

2009年，Wang等[10]首次在NatureMaterials上發表了關于石墨相氮化碳(g-C3N4)在光解水制氫方面的研究，從而引發了光催化領域對g-C3N4的研究熱潮。g-C3N4是由C、N兩種元素以sp2雜化形成共價鍵，并具有大π共軛體系的高分子聚合物，由于獨特的分子結構，g-C3N4具有優異的熱穩定性和化學穩定性[11]。目前以含氮化合物(氰胺、雙氰胺、三聚氰胺、尿素等)為前驅體的高溫熱聚合法是最廣泛應用的制備g-C3N4的方法[12-15]，但制得的g-C3N4存在比表面積較小、可見光響應的范圍較窄、光生電子和空穴的分離效率較低等缺陷，大大制約了其在光催化領域的應用。貴金屬沉積是提高半導體光生載流子分離效率的有效方法之一，其中Ag/g-C3N4的相關研究吸引了眾多研究者的目光，但目前此領域的研究主要集中在高溫熱聚合制備的體相g-C3N4的基礎上通過不同的還原方法負載Ag顆粒[16-18]。本文擬利用g-C3N4獨特的類似石墨的二維層狀結構，首先將高溫熱聚合法制備的體相g-C3N4通過酸化及液相超聲剝離為二維g-C3N4納米片，此措施將縮短光生載流子從g-C3N4納米片內部遷移到表面的距離和時間，在一定程度上抑制g-C3N4自身光生載流子的復合[19-21]，同時為Ag納米顆粒均勻負載提供良好條件，在此基礎上采用光照還原的方法將Ag納米顆粒負載在g-C3N4納米片上，促使光生電子從g-C3N4表面遷移到Ag納米顆粒上，進一步提高了光生載流子的分離效率，更加有效地提高光催化活性。目前關于g-C3N4在光催化領域的研究主要集中在降解各種污染物[22]、分解水制氫[23]、還原CO2為碳氫燃料[24]等方面，g-C3N4在光催化抗菌方面的研究還很少，其中Ag/g-C3N4納米片的光催化抗菌研究還未見報道。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

三聚氰胺、濃H2SO4、硝酸銀、氯化鈉和無水乙醇均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司。胰蛋白胨、酵母提取物和瓊脂粉均為BR級，分別購于上海伊卡生物技術有限公司、Oxoid公司和國藥集團化學試劑有限公司。

德國Bruker公司D8 Focus型X-射線粉末衍射儀(XRD)；美國PerkinElmer公司Frontier型紅外光譜儀(FT-IR)；美國FEI公司G2 F20 S-TWIN型透射電子顯微鏡(TEM)；美國Quantachrome公司NOVA 2000e型比表面和孔分析儀(BET)；上海辰華公司CHI660E型電化學工作站；光催化過程所用光源為300 W Xe燈。

1.2 實驗過程

1.2.1 材料制備

稱取10 g三聚氰胺放入坩堝，加蓋，放入箱式電阻爐中保持520 ℃下煅燒3 h，其中升溫速率控制在4 ℃/min，冷卻后用瑪瑙研缽研磨，過100目篩(0.150 mm)，制得的黃色粉末即為體相g-C3N4。

稱取一定量的體相g-C3N4粉末，倒入濃H2SO4，攪拌2 h后洗滌至中性，干燥后收集。稱取上步的粉末樣品500 mg與乙醇水溶液(1/1，v/v)250 mL攪拌混合，超聲10 h，通過低速離心去除未被剝離的體相g-C3N4，上層懸浮液蒸干溶劑后收集，制得的淡黃色粉末即為二維g-C3N4納米片。

稱取一定量的二維g-C3N4納米片粉末，加入蒸餾水超聲2 h。量取二維g-C3N4納米片的分散液200 mL，滴加AgNO3溶液，黑暗中充分攪拌30 min后用Xe燈光照1 h，經蒸餾水洗滌3次后干燥，制得的樣品即為Ag/g-C3N4納米片復合物，分別制得Ag質量分數為0.5%、1%、3%和5%的復合物，記作0.5%Ag/g-C3N4、1%Ag/g-C3N4、3%Ag/g-C3N4和5%Ag/g-C3N4。用體相g-C3N4粉末代替二維g-C3N4納米片粉末重復上述步驟，制備Ag質量分數為3%的復合物，記作3%Ag/體相g-C3N4。Ag/g-C3N4納米片制備過程如圖1所示。

1.2.2 可見光催化抗菌實驗

(1)菌體培養

革蘭氏陰性菌E.coli(DH5α)保存在-80 ℃冰箱的甘油管中。用接種環蘸取E.coli，在LB(Luria-Bertani，LB)固體培養基劃線，放于培養箱中37 ℃恒溫倒置培養24 h。用無菌接種環挑取單克隆于10 mL LB液體培養基中，37 ℃、150 r/min震蕩培養10 h。吸取0.5 mL菌液于50 mL LB新鮮液體培養基中，37 ℃、250 r/min震蕩培養3 h，即可獲得指數期的E.coli。

(2)抗菌實驗

取上述培養液10 mL加入無菌離心管中，通過高速離心收集菌體，用無菌生理鹽水洗滌3次，收集到的E.coli分散于無菌生理鹽水中，菌液濃度控制為108cfu/mL。對加入5 mg制備樣品的大腸桿菌溶液(50 mL)進行光催化抗菌實驗。光源為300 W氙燈，配置紫外截止濾光片(>420 nm)。實驗過程中，懸浮液持續磁力攪拌，在一定的間隔時間內吸取懸浮液并立即稀釋，均勻地分散到營養瓊脂平板上。在37 ℃下培養24 h后，通過平板計數法確定活細胞的數量。值得注意的是，所有的玻璃儀器和光催化劑在實驗前需要121 ℃滅菌20 min，所有的實驗應保持無菌條件。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

不同樣品的XRD圖譜如圖2所示。三個樣品均具有兩個明顯的特征衍射峰，分別位于12.5°和27.7°，對應的是g-C3N4的(100)和(002)晶面(JCPDS 87-1526)[25]。其中(100)晶面對應的是g-C3N4七嗪環組成的層內結構，(002)晶面對應的是g-C3N4的層間堆積結構。當通過酸化及超聲把體相g-C3N4剝離為二維g-C3N4納米片后，并沒有發現特征衍射峰的位置出現變化，說明通過酸化及超聲過程并沒有改變g-C3N4自身的分子結構，但(002)特征衍射峰的強度出現顯著降低，說明剝離后g-C3N4的層間堆積結構被破壞，即g-C3N4的厚度變小。3%Ag/g-C3N4的XRD圖譜中除了g-C3N4所對應的特征衍射峰外并沒有Ag的特征衍射峰出現，這可能是由于Ag的量太少以及分散比較均勻。對于Ag在3%Ag/g-C3N4中的存在可通過后面的相關表征來證明。

2.2 FT-IR分析

不同樣品的FT-IR光譜圖如圖3所示。結果表明，三個樣品的FT-IR譜圖中特征峰的位置并沒有明顯的不同，表明具有相同的分子結構。三個樣品在809 cm-1附近的強特征峰來源于g-C3N4層內的七嗪環的彎曲振動，g-C3N4中七嗪環的C-N和C=N的振動體現在1 100～1 700 cm-1之間的多個特征峰，而3 000～3 300 cm-1區域寬的吸收峰歸屬于g-C3N4結構邊緣N-H的伸縮振動或者樣品表面吸附的H2O分子中O-H的伸縮振動。可能是由于Ag在復合物中的含量較低，3%Ag/g-C3N4的FT-IR光譜圖中并沒有發現Ag的特征峰，同時體相g-C3N4和二維g-C3N4納米片FT-IR光譜結果也說明剝離過程并沒有破壞g-C3N4本身的分子結構。

2.3 TEM分析

不同樣品的TEM照片如圖4所示。由圖4(a)可知，通過高溫熱聚合法直接制備的體相g-C3N4呈現塊狀結構，由于厚度較大，在TEM照片上呈現的顏色很深，但從塊狀g-C3N4的邊緣可以很明顯發現層狀堆疊的結構。由圖4(b)可知，通過對體相g-C3N4液相超聲剝離制備的g-C3N4納米片在TEM照片上顏色明顯變淺呈現薄紗狀結構，說明剝離過程顯著降低了g-C3N4的厚度。從圖4(c)中可以看出在g-C3N4納米片表面或者片層間均勻分布著一些Ag納米顆粒，粒徑為10 nm左右。

2.4 BET分析

比表面積是影響催化劑性能的重要因素之一，剝離塊體g-C3N4為g-C3N4納米片可有效增強比表面積，在光催化反應過程中可提供更多的活性位點，加快反應速率。圖5為三個樣品的吸附等溫線，均符合Ⅳ型等溫線的特點，具有H3型遲滯環。實驗結果表明，g-C3N4納米片的比表面積(92.28 m2/g)為體相g-C3N4比表面積(13.24 m2/g)的6.97倍，而3%Ag/g-C3N4的比表面積達到80.23 m2/g，略小于g-C3N4納米片的比表面積，但明顯高于體相g-C3N4的比表面積。制備的樣品在光照條件下與E.coli作用時，大的比表面積可提供更多的活性位點，同時增大樣品與E.coli的接觸面積，更有助于活性基團對E.coli細胞膜的破壞過程。

2.5 瞬態光電流分析

瞬態光電流可用來表征樣品中光生電子和空穴的分離效率，本實驗采用三電極系統，飽和甘汞電極為參比電極，Pt絲為對電極，待測試樣品涂覆在導電玻璃上作為工作電極。瞬態光電流測試過程的光源為300 W Xe燈，0.5 mol/L Na2SO4溶液作為電解液。工作電極制備方法：稱取30 mg樣品滴加3 mL無水乙醇后超聲1 h，靜置0.5 h，用移液槍取0.2 mL上層液體滴至導電玻璃上，放置自然晾干后即為工作電極。由圖6可知，三個樣品中瞬態光電流的大小為：3%Ag/g-C3N4納米片>g-C3N4納米片>體相g-C3N4。結果表明體相g-C3N4通過超聲剝離為g-C3N4納米片后，厚度的減少縮短了光生載流子從g-C3N4內部遷移至表面的距離，同時減少了遷移時間，有效提高了光生電子和空穴的分離效率。同時Ag納米顆粒的負載使得電子從g-C3N4納米片轉移至Ag納米顆粒，進一步增強了光生電子和空穴的分離效率。

2.6 光催化抗菌性能分析

首先在單純光照和單獨加入制備樣品的情況下進行抗菌實驗，發現E.coli菌群濃度變化都很微弱，說明可見光和樣品自身的毒性對E.coli的影響可以忽略。但是在可見光和樣品的共同作用下，隨著光照時間的延長，E.coli菌群濃度出現明顯下降。有文獻報道光催化抗菌過程一般分為三個階段[26]。在剛開始階段，可以觀察到一個被稱為“肩膀”的初始延遲，意味著光催化過程生成的活性基團開始攻擊E.coli，此階段菌群濃度變化非常緩慢。第二階段是抗菌過程的主要組成部分，菌群濃度的對數值與時間呈現線性規律。在光催化過程的最后階段，可以看到一個明顯的減速稱為“尾巴”，菌群濃度的下降速度變緩。由圖7可知，所制備樣品光催化殺滅E.coli均表現出相似的三個過程。實驗結果還表明g-C3N4納米片的光催化抗菌效果明顯優于體相g-C3N4，負載納米Ag顆粒后，樣品的光催化活性均優于g-C3N4納米片，且隨著Ag負載量的增大先增強后減弱，3%Ag/g-C3N4納米片展現出最優的光催化抗菌活性，同時明顯優于3%Ag/體相g-C3N4復合物的光催化抗菌活性。光催化活性的效果與瞬態光電流的實驗結果一致，說明光生電子和空穴的分離效率在光催化過程中起著至關重要的作用。

改進的Hom模型可以計算光催化抗菌過程的動力學[26-27]

(1)

其中N和N0分別為t和t0時刻的菌群濃度，k1、k2和k3為光催化抗菌過程三個不同階段的動力學常數。通過上述模型對圖7中的光催化抗菌曲線擬合得到k1、k2和k3，如圖8和表1所示。第二階段是整個光催化抗菌過程的主要環節，因此k2是衡量光催化抗菌效果的重要參數。由表1可知，3%Ag/g-C3N4的k2為0.054 5 min-1，為所測6個樣品中的最大值，是體相g-C3N4(0.018 2 min-1)的2.99倍，是3%Ag/體相g-C3N4(0.037 5 min-1)的1.45倍，說明剝離體相g-C3N4為納米片之后再負載Ag更有利于的光催化抗菌過程。

表1 樣品光催化抗菌曲線改性Hom模型擬合參數

3 光催化抗菌增強機理分析

4 結 論

在液相超聲剝離制備g-C3N4納米片的基礎上，通過光照還原的方法負載Ag納米顆粒，成功構筑Ag/g-C3N4納米片，通過可見光下殺滅E.coli能力研究樣品的光催化活性。通過改進的Hom模型對光催化抗菌曲線進行擬合，3%Ag/g-C3N4納米片具有最優的光催化抗菌活性，其對應的k2值是體相g-C3N4的2.99倍，是3%Ag/體相g-C3N4的1.45倍。大的比表面積和良好的光生載流子分離效率是3%Ag/g-C3N4納米片具有優異光催化抗菌活性的主要原因。