Ag/g-C3N4纳米片的制备及可见光催化抗菌性能研究

李 娟，赵 丹，管首江，刘向荣，徐秋月，马占强

(1.洛阳理工学院环境工程与化学学院，洛阳 471023；2.河南科技大学农学院，洛阳 471023)

0 引 言

水是人类赖以生存的“生命之源”，获得安全的饮用水是人类生存的基本要求。饮用水中的细菌严重威胁着人类健康，细菌超标的饮用水可导致多种疾病的发生，饮用水的杀菌消毒是维持人类健康的必然要求。目前常用的饮用水消毒杀菌剂有液氯、氯胺、二氧化氯、紫外线、臭氧等[1-3]。饮用水采用液氯消毒后，会产生消毒副产物三氯甲烷，而三氯甲烷是具有致癌、致畸、致突变的“三致”物质，使得人类健康面临潜在威胁[4]。氯胺消毒生成的副产物较少，但其消毒能力较弱。二氧化氯与有机物的反应是选择性的[5]，消毒副产物少，且杀菌能力强，消毒速度快，持续时间长，适用水质范围广，但消毒成本高，且在水中的稳定性较差。紫外线消毒不会在饮用水中引入其它杂质，避免产生有害的消毒副产物，但其不具有持续消毒能力，离开紫外线后易产生微生物复活的问题。臭氧是一种广谱高效的杀菌消毒剂，但其工程实践中需现场制备，同时还会产生消毒副产物溴酸根离子，影响人类的健康。

2009年，Wang等[10]首次在NatureMaterials上发表了关于石墨相氮化碳(g-C3N4)在光解水制氢方面的研究，从而引发了光催化领域对g-C3N4的研究热潮。g-C3N4是由C、N两种元素以sp2杂化形成共价键，并具有大π共轭体系的高分子聚合物，由于独特的分子结构，g-C3N4具有优异的热稳定性和化学稳定性[11]。目前以含氮化合物(氰胺、双氰胺、三聚氰胺、尿素等)为前驱体的高温热聚合法是最广泛应用的制备g-C3N4的方法[12-15]，但制得的g-C3N4存在比表面积较小、可见光响应的范围较窄、光生电子和空穴的分离效率较低等缺陷，大大制约了其在光催化领域的应用。贵金属沉积是提高半导体光生载流子分离效率的有效方法之一，其中Ag/g-C3N4的相关研究吸引了众多研究者的目光，但目前此领域的研究主要集中在高温热聚合制备的体相g-C3N4的基础上通过不同的还原方法负载Ag颗粒[16-18]。本文拟利用g-C3N4独特的类似石墨的二维层状结构，首先将高温热聚合法制备的体相g-C3N4通过酸化及液相超声剥离为二维g-C3N4纳米片，此措施将缩短光生载流子从g-C3N4纳米片内部迁移到表面的距离和时间，在一定程度上抑制g-C3N4自身光生载流子的复合[19-21]，同时为Ag纳米颗粒均匀负载提供良好条件，在此基础上采用光照还原的方法将Ag纳米颗粒负载在g-C3N4纳米片上，促使光生电子从g-C3N4表面迁移到Ag纳米颗粒上，进一步提高了光生载流子的分离效率，更加有效地提高光催化活性。目前关于g-C3N4在光催化领域的研究主要集中在降解各种污染物[22]、分解水制氢[23]、还原CO2为碳氢燃料[24]等方面，g-C3N4在光催化抗菌方面的研究还很少，其中Ag/g-C3N4纳米片的光催化抗菌研究还未见报道。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

三聚氰胺、浓H2SO4、硝酸银、氯化钠和无水乙醇均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。胰蛋白胨、酵母提取物和琼脂粉均为BR级，分别购于上海伊卡生物技术有限公司、Oxoid公司和国药集团化学试剂有限公司。

德国Bruker公司D8 Focus型X-射线粉末衍射仪(XRD)；美国PerkinElmer公司Frontier型红外光谱仪(FT-IR)；美国FEI公司G2 F20 S-TWIN型透射电子显微镜(TEM)；美国Quantachrome公司NOVA 2000e型比表面和孔分析仪(BET)；上海辰华公司CHI660E型电化学工作站；光催化过程所用光源为300 W Xe灯。

1.2 实验过程

1.2.1 材料制备

称取10 g三聚氰胺放入坩埚，加盖，放入箱式电阻炉中保持520 ℃下煅烧3 h，其中升温速率控制在4 ℃/min，冷却后用玛瑙研钵研磨，过100目筛(0.150 mm)，制得的黄色粉末即为体相g-C3N4。

称取一定量的体相g-C3N4粉末，倒入浓H2SO4，搅拌2 h后洗涤至中性，干燥后收集。称取上步的粉末样品500 mg与乙醇水溶液(1/1，v/v)250 mL搅拌混合，超声10 h，通过低速离心去除未被剥离的体相g-C3N4，上层悬浮液蒸干溶剂后收集，制得的淡黄色粉末即为二维g-C3N4纳米片。

称取一定量的二维g-C3N4纳米片粉末，加入蒸馏水超声2 h。量取二维g-C3N4纳米片的分散液200 mL，滴加AgNO3溶液，黑暗中充分搅拌30 min后用Xe灯光照1 h，经蒸馏水洗涤3次后干燥，制得的样品即为Ag/g-C3N4纳米片复合物，分别制得Ag质量分数为0.5%、1%、3%和5%的复合物，记作0.5%Ag/g-C3N4、1%Ag/g-C3N4、3%Ag/g-C3N4和5%Ag/g-C3N4。用体相g-C3N4粉末代替二维g-C3N4纳米片粉末重复上述步骤，制备Ag质量分数为3%的复合物，记作3%Ag/体相g-C3N4。Ag/g-C3N4纳米片制备过程如图1所示。

1.2.2 可见光催化抗菌实验

(1)菌体培养

革兰氏阴性菌E.coli(DH5α)保存在-80 ℃冰箱的甘油管中。用接种环蘸取E.coli，在LB(Luria-Bertani，LB)固体培养基划线，放于培养箱中37 ℃恒温倒置培养24 h。用无菌接种环挑取单克隆于10 mL LB液体培养基中，37 ℃、150 r/min震荡培养10 h。吸取0.5 mL菌液于50 mL LB新鲜液体培养基中，37 ℃、250 r/min震荡培养3 h，即可获得指数期的E.coli。

(2)抗菌实验

取上述培养液10 mL加入无菌离心管中，通过高速离心收集菌体，用无菌生理盐水洗涤3次，收集到的E.coli分散于无菌生理盐水中，菌液浓度控制为108cfu/mL。对加入5 mg制备样品的大肠杆菌溶液(50 mL)进行光催化抗菌实验。光源为300 W氙灯，配置紫外截止滤光片(>420 nm)。实验过程中，悬浮液持续磁力搅拌，在一定的间隔时间内吸取悬浮液并立即稀释，均匀地分散到营养琼脂平板上。在37 ℃下培养24 h后，通过平板计数法确定活细胞的数量。值得注意的是，所有的玻璃仪器和光催化剂在实验前需要121 ℃灭菌20 min，所有的实验应保持无菌条件。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

不同样品的XRD图谱如图2所示。三个样品均具有两个明显的特征衍射峰，分别位于12.5°和27.7°，对应的是g-C3N4的(100)和(002)晶面(JCPDS 87-1526)[25]。其中(100)晶面对应的是g-C3N4七嗪环组成的层内结构，(002)晶面对应的是g-C3N4的层间堆积结构。当通过酸化及超声把体相g-C3N4剥离为二维g-C3N4纳米片后，并没有发现特征衍射峰的位置出现变化，说明通过酸化及超声过程并没有改变g-C3N4自身的分子结构，但(002)特征衍射峰的强度出现显著降低，说明剥离后g-C3N4的层间堆积结构被破坏，即g-C3N4的厚度变小。3%Ag/g-C3N4的XRD图谱中除了g-C3N4所对应的特征衍射峰外并没有Ag的特征衍射峰出现，这可能是由于Ag的量太少以及分散比较均匀。对于Ag在3%Ag/g-C3N4中的存在可通过后面的相关表征来证明。

2.2 FT-IR分析

不同样品的FT-IR光谱图如图3所示。结果表明，三个样品的FT-IR谱图中特征峰的位置并没有明显的不同，表明具有相同的分子结构。三个样品在809 cm-1附近的强特征峰来源于g-C3N4层内的七嗪环的弯曲振动，g-C3N4中七嗪环的C-N和C=N的振动体现在1 100～1 700 cm-1之间的多个特征峰，而3 000～3 300 cm-1区域宽的吸收峰归属于g-C3N4结构边缘N-H的伸缩振动或者样品表面吸附的H2O分子中O-H的伸缩振动。可能是由于Ag在复合物中的含量较低，3%Ag/g-C3N4的FT-IR光谱图中并没有发现Ag的特征峰，同时体相g-C3N4和二维g-C3N4纳米片FT-IR光谱结果也说明剥离过程并没有破坏g-C3N4本身的分子结构。

2.3 TEM分析

不同样品的TEM照片如图4所示。由图4(a)可知，通过高温热聚合法直接制备的体相g-C3N4呈现块状结构，由于厚度较大，在TEM照片上呈现的颜色很深，但从块状g-C3N4的边缘可以很明显发现层状堆叠的结构。由图4(b)可知，通过对体相g-C3N4液相超声剥离制备的g-C3N4纳米片在TEM照片上颜色明显变浅呈现薄纱状结构，说明剥离过程显著降低了g-C3N4的厚度。从图4(c)中可以看出在g-C3N4纳米片表面或者片层间均匀分布着一些Ag纳米颗粒，粒径为10 nm左右。

2.4 BET分析

比表面积是影响催化剂性能的重要因素之一，剥离块体g-C3N4为g-C3N4纳米片可有效增强比表面积，在光催化反应过程中可提供更多的活性位点，加快反应速率。图5为三个样品的吸附等温线，均符合Ⅳ型等温线的特点，具有H3型迟滞环。实验结果表明，g-C3N4纳米片的比表面积(92.28 m2/g)为体相g-C3N4比表面积(13.24 m2/g)的6.97倍，而3%Ag/g-C3N4的比表面积达到80.23 m2/g，略小于g-C3N4纳米片的比表面积，但明显高于体相g-C3N4的比表面积。制备的样品在光照条件下与E.coli作用时，大的比表面积可提供更多的活性位点，同时增大样品与E.coli的接触面积，更有助于活性基团对E.coli细胞膜的破坏过程。

2.5 瞬态光电流分析

瞬态光电流可用来表征样品中光生电子和空穴的分离效率，本实验采用三电极系统，饱和甘汞电极为参比电极，Pt丝为对电极，待测试样品涂覆在导电玻璃上作为工作电极。瞬态光电流测试过程的光源为300 W Xe灯，0.5 mol/L Na2SO4溶液作为电解液。工作电极制备方法：称取30 mg样品滴加3 mL无水乙醇后超声1 h，静置0.5 h，用移液枪取0.2 mL上层液体滴至导电玻璃上，放置自然晾干后即为工作电极。由图6可知，三个样品中瞬态光电流的大小为：3%Ag/g-C3N4纳米片>g-C3N4纳米片>体相g-C3N4。结果表明体相g-C3N4通过超声剥离为g-C3N4纳米片后，厚度的减少缩短了光生载流子从g-C3N4内部迁移至表面的距离，同时减少了迁移时间，有效提高了光生电子和空穴的分离效率。同时Ag纳米颗粒的负载使得电子从g-C3N4纳米片转移至Ag纳米颗粒，进一步增强了光生电子和空穴的分离效率。

2.6 光催化抗菌性能分析

首先在单纯光照和单独加入制备样品的情况下进行抗菌实验，发现E.coli菌群浓度变化都很微弱，说明可见光和样品自身的毒性对E.coli的影响可以忽略。但是在可见光和样品的共同作用下，随着光照时间的延长，E.coli菌群浓度出现明显下降。有文献报道光催化抗菌过程一般分为三个阶段[26]。在刚开始阶段，可以观察到一个被称为“肩膀”的初始延迟，意味着光催化过程生成的活性基团开始攻击E.coli，此阶段菌群浓度变化非常缓慢。第二阶段是抗菌过程的主要组成部分，菌群浓度的对数值与时间呈现线性规律。在光催化过程的最后阶段，可以看到一个明显的减速称为“尾巴”，菌群浓度的下降速度变缓。由图7可知，所制备样品光催化杀灭E.coli均表现出相似的三个过程。实验结果还表明g-C3N4纳米片的光催化抗菌效果明显优于体相g-C3N4，负载纳米Ag颗粒后，样品的光催化活性均优于g-C3N4纳米片，且随着Ag负载量的增大先增强后减弱，3%Ag/g-C3N4纳米片展现出最优的光催化抗菌活性，同时明显优于3%Ag/体相g-C3N4复合物的光催化抗菌活性。光催化活性的效果与瞬态光电流的实验结果一致，说明光生电子和空穴的分离效率在光催化过程中起着至关重要的作用。

改进的Hom模型可以计算光催化抗菌过程的动力学[26-27]

(1)

其中N和N0分别为t和t0时刻的菌群浓度，k1、k2和k3为光催化抗菌过程三个不同阶段的动力学常数。通过上述模型对图7中的光催化抗菌曲线拟合得到k1、k2和k3，如图8和表1所示。第二阶段是整个光催化抗菌过程的主要环节，因此k2是衡量光催化抗菌效果的重要参数。由表1可知，3%Ag/g-C3N4的k2为0.054 5 min-1，为所测6个样品中的最大值，是体相g-C3N4(0.018 2 min-1)的2.99倍，是3%Ag/体相g-C3N4(0.037 5 min-1)的1.45倍，说明剥离体相g-C3N4为纳米片之后再负载Ag更有利于的光催化抗菌过程。

表1 样品光催化抗菌曲线改性Hom模型拟合参数

3 光催化抗菌增强机理分析

4 结 论

在液相超声剥离制备g-C3N4纳米片的基础上，通过光照还原的方法负载Ag纳米颗粒，成功构筑Ag/g-C3N4纳米片，通过可见光下杀灭E.coli能力研究样品的光催化活性。通过改进的Hom模型对光催化抗菌曲线进行拟合，3%Ag/g-C3N4纳米片具有最优的光催化抗菌活性，其对应的k2值是体相g-C3N4的2.99倍，是3%Ag/体相g-C3N4的1.45倍。大的比表面积和良好的光生载流子分离效率是3%Ag/g-C3N4纳米片具有优异光催化抗菌活性的主要原因。