γ-氧化铁/山梨酸/银-二氧化钛的制备及抗菌性能

吴丽娜，张向军，林清娴

（厦门市建筑科学研究院有限公司，福建厦门361004）

饮用水微生物污染是各个国家主要疾病暴发的原因之一，膜过滤、氯化、臭氧是有效的消毒手段，但是这些技术存在局限性［1］。MATSUNAGA等［2］利用TiO2光催化灭活大肠杆菌、嗜酸乳杆菌和酿酒酵母，其是光催化抗菌技术的研发先驱。TiO2半导体材料在生物相容性、物化稳定性、光催化响应性和氧化能力方面具有较高品质，可作为饮用水处理中一种高效的无机抗菌剂，但是其存在响应光区窄、粉末材料不易回收、分散性较差等问题，因此需要研究新型复合催化剂的优化性能［3］。

贵金属Ag常用于TiO2改性，通过表面等离子谐振，可促进光催化反应过程，且Ag+作为广谱高效抑菌剂，可综合提高材料的抗菌活性［4］。李萌等［5］采用磁控溅射-水热复合处理法，将Ag-TiO2纳米棒固定于钛箔片表面，酸化处理后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有高效显著的抗菌活性。山梨酸作为一种典型的有机酸，毒性低，本身也具有抑菌性［6］。将山梨酸负载于TiO2上，不仅能提高其在水溶液中的分散性，而且不会产生危害人体健康的其他物质。磁性颗粒可有效解决粉末状催化剂回收难问题，超顺磁性氧化铁纳米材料（如Fe3O4和γ-Fe2O3）合成方便、成本低廉，且具有良好的磁学性质，在研究和运用中最为常见，其中γ-Fe2O3具有良好的热稳定性，比Fe3O4更优异［7］。

笔者拟通过溶胶凝胶-水热法将γ-Fe2O3/山梨酸/Ag与TiO2结合，设计构建出新型磁性复合催化剂用于饮用水消毒。选择大肠埃希氏菌为目标菌，优化制备参数，研究抗菌机理，为饮用水光催化消毒技术走向实际应用提供基础资料和理论依据。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

试剂：九水合硝酸铁、葡萄糖、丙烯酸、无水乙醇、冰醋酸、硝酸、异丙醇（IPA）、2，2，6，6-四甲基哌啶醇氮氧自由基（TEMPOL）、乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）、二氧化钛（锐钛矿）、硝酸银、银粉、山梨酸（SA）、钛酸四丁酯，均为分析纯；银标准储备液，优级纯；FSCC 149002型大肠埃希氏菌（冻干粉）。

仪器：Empyrean DY1602型X射线多晶衍射仪（XRD）；ESCALAB 250XI型X射线光电子能谱仪（XPS）；ASAP 2460型比表面积及孔隙度分析仪；Nova Nano SEM 230型扫描电子显微镜（SEM）；MPMS（SQUID）XL型磁学测量系统；OPTIMA8000型电感耦合等离子体发射光谱分析仪（ICP）。

1.2 催化剂的制备

称取10 mmol Fe（NO3）3·9H2O和5 mmol葡萄糖，溶解于39 mL去离子水中，滴加1 mL丙烯酸，将反应物移入100 mL反应釜中，在190℃水热反应9 h，洗涤、干燥、研磨后得到γ-Fe2O3。称取一定量山梨酸溶于10 mL无水乙醇中，标为A液；将HNO3逐滴加入15 mL无水乙酸中，调节pH为2～3，标为B液。称取一定量AgNO3，溶解于10 mL无水乙醇中，逐滴加入15 mmol钛酸四丁酯，逐滴加入A液，加入0.15 g γ-Fe2O3，混匀。以1～2滴/s的速度逐滴加入B液，搅拌3 h，陈化3 h，以上操作均需黑暗条件。将反应物移入100 mL反应釜中，在一定条件下进行水热反应，洗涤、干燥、研磨，得到γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2。作为对照的催化剂Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2和γ-Fe2O3/Ag-TiO2的合成方法与上述方法相同，只是相应地不添加γ-Fe2O3、山梨酸溶液和AgNO3溶液。

1.3 抗菌活性评价

菌悬液浓度取OD600=0.10，约106cfu/mL，进行可见光条件下的抗菌试验。试验结束后，取样逐级梯度稀释。取0.1 mL最后两个梯度的菌悬液，均匀涂布于琼脂平板表面，37℃恒温培养24 h，观察菌落生长状况并计数。每个稀释浓度的平行样为3个，计数结果取平均值。每组试验需进行5次，用于试验结果和误差线的计算。抗菌效果采用对数去除率作为衡量指标。对数去除率和去除率计算方法见式（1）（2）。

式中：A为对照组样品活菌数，cfu/mL；B为实验组样品活菌数，cfu/mL。

2 结果与讨论

2.1 结构分析

2.1.1 XRD分析

图1为γ-Fe2O3、Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的XRD谱图。从图1A看出，γ-Fe2O3的特征衍射峰均匹配JCPDS No.39-1346，无杂峰且峰型尖锐，表明纯度高、结晶良好。从图1B看出，样品a～d在相同的衍射角均有锐钛矿TiO2（JCPDS No.01-1013）衍射峰，且峰位不变，表明各复合成分独立存在，未进入TiO2晶格，根据Scherrer公式得到样品的晶粒尺寸分别为10.883、8.473、8.745、7.664 nm。SANZONE等［8］研究表明银会抑制TiO2晶粒生长，本研究中γ-Fe2O3和山梨酸的复合对其抑制效果更为显著，且Ag与γ-Fe2O3的抑制效果有一定牵制。样品b～d上存在对应相应界面的γ-Fe2O3衍射峰，说明γ-Fe2O3成功复合。样品XRD谱图中未发现Ag特征峰，可能存在两个原因：一是银含量比较低且较为分散；二是Ag（111）界面和锐钛矿TiO2（004）界面的特征衍射峰均在38°附近［9］。样品XRD谱图中也未发现山梨酸的特征峰，可能与结合方式有关，或分散为无定型。

图1 γ-Fe2O3（A）以及Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（B）的XRD谱图Fig.1 XRD patterns ofγ-Fe2O3（A），Ag-TiO2，γ-Fe2O3/TiO2，γ-Fe2O3/Ag-TiO2，γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（B）

2.1.2 XPS分析

为进一步分析γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的成分组成和成键结构，对材料进行了XPS表征，结果见图2。由图2A的全谱图可知，催化剂主要由Fe、O、Ti、Ag、C 5种元素构成。由图2B的Ag 3d图可知，两个结合能差值为6 eV，说明Ag以单质形式存在［10］。由图2C的C 1s图可知，288.44 eV对应羧基（O—C=O），285.50 eV对应C—OR键，284.60 eV对应C=C键或C—C键，283.90 eV对应C—H键［11］。表明山梨酸成功负载，且羧基以单齿方式与催化剂表面的—OH结合，未进入TiO2晶格。

图2 γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的XPS图Fig.2 XPS spectra ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2

2.2 表面特性分析

2.2.1 BET比表面积分析

图3为γ-Fe2O3、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的N2吸附-脱附曲线及BJH脱附孔尺寸分布图。从图3看出，曲线类型均为Ⅳ型等温线，表明为介孔结构；在p/p0大于0.7后均出现H3型滞回环，说明孔形构成中存在狭缝、楔形和裂缝［12］。样品A、B孔径分布较为分散，晶粒之间堆叠不均匀，孔径分布于10～15 nm，但后者吸附-脱附曲线重合性较小，毛细凝聚不严重。样品C、D孔径分布集中，说明Ag和山梨酸的负载有助于提高催化剂晶粒结构的有序性。样品A～D的BET比表面积逐渐增大，一方面是表面增加了不同晶粒，另一方面是γ-Fe2O3、山梨酸和Ag的复合抑制了TiO2晶粒生长。γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的BET比表面积为125.726 m2/g，较锐钛矿TiO2比表面积（82.160 m2/g）有较大提高，有助于催化剂对目标污染物的吸附和表面活性位点的增加。

图3 γ-Fe2O3（A）、γ-Fe2O3/TiO2（B）、γ-Fe2O3/Ag-TiO2（C）、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（D）的N2吸附-脱附曲线及BJH脱附孔径分布图Fig.3 N2 adsorption-desorption isotherms and BJH desorption pore size distribution ofγ-Fe2O3（A），γ-Fe2O3/TiO2（B），γ-Fe2O3/Ag-TiO2（C），γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（D）

2.2.2 FESEM分析

图4为γ-Fe2O3/Ag-TiO2和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的FESEM照片。从图4看出，催化剂颗粒为类球形，粒径较小，分布规整；山梨酸为白色晶体状，分布在表面（如红圈处），且分散良好。

图4 γ-Fe2O3/Ag-TiO2（A、B）和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（C、D）的FESEM照片Fig.4 FESEM images ofγ-Fe2O3/Ag-TiO2（A，B）andγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（C，D）

2.3 光学性能分析

图5为锐钛矿TiO2、Ag-TiO2、γ-Fe2O3、γ-Fe2O3/Ag-TiO2和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）。从图5看出，锐钛矿TiO2光吸收边界为405 nm，主要吸收紫外光，禁带宽度为3.06 eV；Ag-TiO2为全波段吸收，对可见光区段的吸收能力比紫外光区低，这是由于Ag负载形成掺杂能级，使电子能吸收小能量光子，从Ag的价带跃迁至TiO2的导带，提高了材料对可见光的利用率［13］；γ-Fe2O3/Ag-TiO2和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的谱线基本重合，表明山梨酸负载对光吸收无影响；γ-Fe2O3也为全波段吸收，禁带宽度极小，因此复合后对材料的光响应有显著贡献，且与Ag和TiO2形成三级跃迁能级，可提高光量子和活化粒子的利用率，增强光催化抗菌活性。

图5 锐钛矿TiO2（a）、Ag-TiO2（b）、γ-Fe2O3（c）、γ-Fe2O3/Ag-TiO2（d）、γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2（e）的UV-Vis DRS图Fig.5 UV-Vis DRSof anatase TiO2（a），Ag-TiO2（b），γ-Fe2O3（c），γ-Fe2O3/Ag-TiO2（d）andγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2（e）

2.4 磁性能分析

图6为γ-Fe2O3和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的室温磁滞回线。从图6看出二者具有以下共同点：属S型回线；磁化曲线与去磁曲线近乎重叠，无磁滞现象；曲线与原点相交，即剩余磁化强度和矫顽力皆为0，表明均为超顺磁材料［14］。

图6 γ-Fe2O3和γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的室温磁滞回线Fig.6 Magnetic hysteresis loops ofγ-Fe2O3 andγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2 at room temperature

从图6可以看出，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的饱和磁化强度为10.478 A·m2/kg，相较于γ-Fe2O3（24.074 A·m2/kg）有明显降低，这是由于其他成分的复合使单位质量材料中γ-Fe2O3的占比下降所致。使用普通磁铁块检测γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的磁性能。从图6插图看出：未施加外加磁场，催化剂均匀分散（a）；磁铁靠近，许多粉末立即被吸附于磁铁一侧，水颜色变淡（b）；5 s后，大量粉末聚集于磁铁一侧，水变为半透明状（c）；10 s后，催化剂粉末已基本被磁铁“收集”，水变为透明（d）。综上所述，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2有良好的顺磁性，无磁性条件下能较好地分散于水中，施加外加磁场后立即表现出磁性响应，容易收集，具有一定的经济性，可防止二次污染。

2.5 制备工艺参数的确定

探讨了主要制备工艺参数（银掺杂量、山梨酸掺杂量、水热温度和水热时间）对γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2抗菌性能的影响，结果见图7。

图7 制备工艺参数对γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌活性的影响Fig.7 Effect of synthesis parameters on photocatalytic antibacterial activity ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2

从图7A看出，随着银掺杂量增加，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。这是因为，随着银掺杂量增加，催化剂对可见光的吸收增强，Ag0在水中转化为可杀菌的Ag+，因而催化剂的抗菌活性激增［13］。WEI等［15］研究表明，银掺杂量超过一定量时，其对TiO2表面活性位点的掩蔽和对TiO2晶粒生长的抑制作用加剧，因而催化剂的抗菌活性呈下降趋势。

从图7B看出，随着山梨酸复合量的增加，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。山梨酸复合对催化剂光催化抗菌性能的增强作用主要包括：增大比表面积，提高吸附能力；π-π共轭体系及羧基氧上的未参与成键的电子，有利于光生电子的转移［16］；本身具有的抑菌作用。但是，山梨酸复合会减少TiO2表面的活性基团，因而其复合超过一定量时，会使催化剂的抗菌活性下降。

从图7C看出，随着水热温度的升高，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。随着水热温度的升高，TiO2晶粒的结晶度提高，形成的复合物趋于稳定，因而催化剂的光催化抗菌活性显著增强［17］。但是，当水热温度超过一定值时，能量交换剧烈，反应和结晶过快，可能造成晶格缺陷［18］。

从图7D看出，随着水热时间的延长，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的抗菌性能先升高后降低。随着水热时间的延长，晶粒生长、各物质生成和复合趋于完善，有利于催化剂光催化抗菌过程的进行［19］。但是，当水热反应超过一定时间后，TiO2晶粒粒径加剧增大，使得比表面积减小，且晶粒之间相互挤压变形甚至团聚，造成形貌失序［20］，因此抗菌性能下降。

由图7可知γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的最佳制备参数：n（Ag）/n（Ti）=0.03，n（SA）/n（Ti）=0.2，水热温度为160℃，水热时间为12 h。

2.6 不同材料的抗菌性能分析

考察了不同材料（Ag、SA、γ-Fe2O3、TiO2、Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2）的抗菌性能，结果见图8。从图8看出，单分子催化剂Ag、γ-Fe2O3和锐钛矿TiO2的抗菌活性都较低，只有SA的效果较明显。这是由于，Ag0只有极少部分转换为有杀菌作用的Ag+［21］；γ-Fe2O3光生电子-空穴对极易复合，无法有效利用；锐钛矿TiO2主要受紫外光驱动，在可见光区响应很弱，光生电子-空穴对产率低且极易复合［22］；SA是可单独使用的防腐剂，具有抑菌性。双分子复合催化剂中，Ag-TiO2的抗菌活性远大于γ-Fe2O3/TiO2，主要是由于Ag+具有杀菌作用，Ag改性也有助于提升TiO2的光催化活性。复合催化剂的对数去除率均远大于单分子催化剂的和，说明材料复合不是简单的叠加，而是相互促进形成“1+1＞2”的作用。这种促进作用在γ-Fe2O3/Ag-TiO2三分子复合材料上体现得更加明显，其在可见光区的响应十分显著，材料界面有序、比表面积大，为光催化抗菌提供了更多的活性位点。γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2的对数去除率为5.91，比γ-Fe2O3/Ag-TiO2的抗菌活性更高。这是由于山梨酸虽然占据TiO2表面一定的活性位点，却提高了材料在反应体系中的分散性，并且山梨酸本身也具有抑菌作用，因此对数去除率有进一步的提升。

图8 可见光下不同材料（Ag、SA、γ-Fe2O3、TiO2、Ag-TiO2、γ-Fe2O3/TiO2、γ-Fe2O3/Ag-TiO2、γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2）的抗菌性能Fig.8 Antibacterial properties of different materials（Ag，SA，γ-Fe2O3，TiO2，Ag-TiO2，γ-Fe2O3/TiO2，γ-Fe2O3/Ag-TiO2，γ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2）driven by visible light

2.7 光催化抗菌机理研究

向菌液中添加50 mmol/L IPA、4 mmol/L TEMPOL和EDTA-2Na分别作为·OH、O2·－和h＋的自由基淬灭剂［23］，研究各自由基在γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌过程中的重要程度，结果见图9。从图9A看出，3种淬灭剂对抗菌性能的影响从大到小的顺序依次为IPA、TEMPOL、EDTA-2Na。从图9B看出，加入IPA的对数去除率与·OH捕获实验曲线最为接近，且·OH被捕获后降低最为剧烈，比只加催化剂减少40%，说明·OH是γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌过程中最重要的活性氧（ROS）。从图9C可知，加入O2·－淬灭剂后对数去除率峰值下降24%，TEMPOL本身对大肠埃希氏菌的毒性较低，催化剂在O2·－被捕获后其他ROS还有很强的抗菌活性。从图9D可知，h＋被淬灭剂捕获后对γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌性能的影响较小。综上所述，γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌过程中3种主要ROS的影响顺序从大到小依次为·OH、O2·－、h＋。

图9 淬灭剂（IPA、TEMPOL、EDTA-2Na）对γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2光催化抗菌活性的影响Fig.9 Effect of quenching agents（IPA，TEMPOL，EDTA-2Na）on photocatalytic antibacterial activity ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2

γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2复合材料中Ag0转化为Ag+时也具有杀菌作用，主要是由于Ag+释放到水中，与细菌接触后会进入细胞内，通过改变细胞内功能蛋白酶结构，使系统逐渐变性、失活，最终彻底丧失新陈代谢能力而死亡。采用ICP测定复合材料抗菌过程中Ag+释放量，设定可见光照射和黑暗两个条件，以探究其协同抗菌性，结果见图10。从图10看出，在可见光和黑暗条件下Ag+释放量接近，且随着反应时间的改变其质量浓度稳定在0.3～0.4 mg/L。这表明水中Ag0与Ag+转化处于动态平衡，且不受光照条件的影响。正是反应体系Ag+的存在，与山梨酸共同作用下，使催化剂在黑暗条件下仍具有显著的抗菌活性，对数去除率为2.54。

图10 γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2在不同光照条件下Ag+释放量Fig.10 Ag+release amount ofγ-Fe2O3/SA/Ag-TiO2 under different illumination conditions

3 结论

采用溶胶凝胶-水热法制备复合光催化剂γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2，最佳制备参数为n（Ag）/n（Ti）=0.03、n（SA）/n（Ti）=0.2、水热温度为160℃、水热时间为12 h。其中，纯锐钛矿晶型TiO2和γ-Fe2O3结晶良好，纯度较高，银为单质态，山梨酸以单齿方式与TiO2结合。催化剂为介孔结构、粒径分布集中、BET比表面积为125.726 m2/g的类球形颗粒，可吸收200～800 nm全波段光，饱和磁化强度为10.478 A·m2/kg，无磁滞现象，为超顺磁材料，可在外加磁场下迅速固液分离，有效实现材料的回收。自由基与游离Ag+和山梨酸构成协同抗菌体系，主要ROS的影响顺序由大到小依次为·OH、O2·－、h＋，使γ-Fe2O3/山梨酸/Ag-TiO2在可见光和黑暗条件下均具有良好的抗菌活性，对数去除率分别为5.91和2.54。