随着社会经济的快速发展，抗生素及其衍生物在临床医疗和现代养殖业中得到了广泛的应用[1]，而水体中的盐酸四环素残留对动植物和人体健康的潜在风险不容小觑。光催化技术具有氧化性强、净化彻底和绿色环保等优点，可广谱高效地实现水体中有机物的降解和去除[2]。在众多的光催化剂中，纳米TiO2对盐酸四环素的光催化降解表现出突出的优势和潜力[3]。针对TiO2带隙较宽(约3.2eV)、太阳能利用率不高的特点[4]，学者们大多采用表面修饰改性、贵金属负载、材料复合和载体负载等多种手段提升纳米TiO2的光催化降解效率[5-7]。
纳米TiO2在碳材料上的负载是一个重要研究方向，该方法可有效改善产物在禁带宽度调节、电子-空穴对复合率减少、反应活性位点增加和吸附-光催化协同等方面的性能。针对纳米TiO2在实际应用中存在易团聚和难回收等缺点，将催化剂负载到SiO2、活性炭、粉煤灰和生物炭等材料上可以解决光催化剂的分离回收问题。然而催化剂与基质间的作用力以氢键、配位键和静电作用为主，会导致出现基质与纳米颗粒的复合强度不足和纳米颗粒团聚等问题，进而影响光催化效率。
近年来，从绿色环保和可再生资源利用的角度出发，由酵母细胞制备生物碳球并应用于光催化载体的研究逐渐活跃。选用富含有机质的酵母细胞作为微纳米材料的生物载体，通过生物化学手段简单便捷地实现光催化纳米材料在酵母表面负载，在此基础上进一步将酵母细胞转化为生物碳基载体，为生物碳负载态光催化材料的制备提供了新思路[8-9]。然而在现有酵母碳基复合光催化剂的制备中，静电自组装[10]、水热法[11]和沉淀法[12]等方法主要是利用酵母的形貌和表面官能团制备球形复合材料，制备过程需要调节pH或加入模板剂，并没有完全发挥酵母的生物模板特性。
本文通过生物自组装方法，借助刀豆蛋白A与酵母表面多糖间的生物特异性识别制备了一系列纳米TiO2@酵母碳球负载态光催化材料，考察纳米TiO2不同负载量对样品光催化降解盐酸四环素性能的影响，分析纳米TiO2光催化剂与酵母生物碳载体通过吸附-光催化协同实现系统光催化性能的提升效果，继而通过响应面法优化了光催化降解盐酸四环素的工艺条件。
1 实验部分 1.1 实验原料高活性酵母，安琪酵母股份有限公司；纳米TiO2，P25，德国德固赛公司；盐酸四环素(tetracyclin e- HCl)，都莱生物；磷酸缓冲盐(PBS)溶液，Biosharp公司；刀豆蛋白A(Con A)，Sigma公司；无水乙醇(C2H6O)和戊二醛(C5H8O2)均为分析纯，西安化学试剂厂。
1.2 纳米TiO2@酵母碳球的制备纳米TiO2@酵母碳球制备过程如下[13]：将1g纳米TiO2用无水乙醇清洗干净后，加入2.5%戊二醛溶液得到醛基化TiO2，离心分离后加入1g/L的刀豆蛋白A PBS缓冲液中，在25℃下保持6h后得到刀豆蛋白A修饰的纳米TiO2(TiO2- Con A)；在15mL的PBS溶液中加入1g高活性干酵母，并在37℃水浴中活化2h；将TiO2- Con A加入到15mL活化酵母PBS缓冲溶液中，在37℃水浴锅中保持12h，将得到的TiO2@酵母样品离心清洗后于50℃烘干，在氮气保护下500℃煅烧2h，即得到纳米TiO2@酵母碳材料T1Y1。
将实验制备的一系列纳米TiO2@酵母碳球样品标记为TaYb，其中a和b表示制备过程加入的纳米TiO2(T)与酵母(Y)的相对质量，如T1Y1表示质量比为1 :1的TiO2与酵母所制备的纳米TiO2@酵母碳球产物。
1.3 表征方法采用S- 4800型扫描电子显微镜(日本Hitachi公司)表征样品形貌特征。采用布鲁克D8 Discover X-射线衍射仪(XRD，德国布鲁克AXS公司)表征样品晶体结构。采用NEXUS 670傅里叶红外光谱仪(Thermo Fisher Scientific)对酵母和酵母碳球进行表征，测试范围4000~400cm-1。
1.4 光催化性能测试将一定量的光催化剂加入到50mL盐酸四环素溶液中，暗反应搅拌30min后打开250W氙灯，每隔10min取样离心，在357nm处测定上清液吸光度，利用盐酸四环素标准曲线计算其浓度后，由式(1)计算盐酸四环素的光催化降解率。
| $ D = \left( {1 - \frac{\rho }{{{\rho _0}}}} \right) \times 100\% $ | (1) |
式中，D为盐酸四环素的光催化降解率；ρ为盐酸四环素溶液的瞬时质量浓度，g/L；ρ0为盐酸四环素溶液的初始质量浓度，g/L。
1.5 吸附-光催化协同效应实验在25℃下测定50mg的纳米TiO2@酵母碳球在50mL质量浓度为50mg/L的盐酸四环素溶液中的吸附去除率A和光催化去除率R；计算并称取与50mg纳米TiO2@酵母碳球中负载态TiO2相当的纳米TiO2，测定其对50mL质量浓度为50mg/L的盐酸四环素溶液的光催化去除率RTiO2。根据式(2)计算TiO2@酵母碳球对盐酸四环素的吸附-光催化协同因子β[14]。
| $ \beta = \frac{R}{{A + {R_{{\rm{Ti}}{{\rm{O}}_2}}}}} $ | (2) |
采用Design Expert软件中的Bo x- Behnken Design (BBD)对光催化实验进行响应面法设计，实验中的因素编码和水平值见表 1。
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下载CSV 表 1 实验因素的水平和编码 Table 1 Experimental range and level of variables |
酵母细胞、纳米TiO2和纳米TiO2@酵母碳球的SEM图片如图 1所示。实验选用的酵母细胞(图 1(a))呈椭圆形，表面较为光滑，尺寸约为4.3μm×3.6μm。图 1(b)中的纳米TiO2呈球形，平均尺寸约为25nm。图 1(c)~(f)为不同负载量下制备得到的纳米TiO2@酵母碳球，可以发现纳米TiO2负载在酵母细胞表面并经过高温煅烧后，样品均较好地保持了酵母细胞的椭球形基本形貌，且分散性良好。
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图 1 样品的SEM图片 Fig.1 SEM images of samples |
在不同负载量条件下得到的样品(图 1(c)~(f))中，纳米TiO2均较好地负载在酵母碳球表面。其中，在质量比为1 :2(T1Y2，图 1(c))和1 :1(T1Y1，图 1(d))的样品中，纳米TiO2在酵母碳球表面均匀分散，有部分酵母碳球表面暴露；但在质量比为1.5 :1(T1.5Y1，图 1(e))和2 :1(T2Y1，图 1(f))的样品中，大量纳米TiO2粒子覆盖在酵母碳球表面，形成了较为疏松的纳米TiO2负载层。随着纳米TiO2负载量的增大，酵母碳球载体暴露的面积逐步减少，纳米TiO2@酵母碳球的尺寸有所增大，颗粒表面的粗糙程度也相应增加。
2.2 不同负载量下样品的晶体结构不同负载量下样品的X-射线粉末衍射结果见图 2，可知各样品中均出现了P25 TiO2中对应的锐钛矿型和金红石型TiO2的特征峰。随着TiO2负载量的增加(从T1Y2至T2Y1)，样品在2θ=25.4°处的锐钛矿TiO2特征峰强度呈现明显增大趋势。这与SEM所观察到的样品形貌特征一致，表明生物自组装方法可以实现纳米TiO2粒子在酵母碳球表面的精准负载和可控制备。
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图 2 纳米TiO2@酵母碳球的XRD谱图 Fig.2 XRD patterns of nano-TiO2@yeast carbon samples |
图 3为酵母细胞和酵母碳球的红外图谱，其中，酵母的红外图谱中3352cm-1处的吸收峰归因于蛋白质的—NH；2925cm-1处的吸收峰对应于—CH3和—CH2中的—CH伸缩振动；2358cm-1和1652cm-1处的吸收峰分别对应于O—C[FY=, 1]O和C[FY=, 1]O键的伸缩振动；1047cm-1处的吸收峰对应于酵母表面多糖的—COOH。与酵母相比，酵母碳球的红外图谱中除了2362cm-1和3749cm-1两处吸收峰外，其他对应于蛋白质的—NH、—CH3和—CH2等基团的吸收峰基本消失，说明酵母在气体保护下的煅烧过程中，其细胞壁中的葡聚糖、甘露聚糖和几丁质等成分得以转化，并最终组成具有微米球结构的酵母碳球。
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图 3 酵母和酵母碳球的红外谱图 Fig.3 F T- IR spectra of yeast and yeast carbon microspheres |
不同负载量的纳米TiO2@酵母碳球在可见光下降解盐酸四环素的实验结果如图 4所示。可以看出，T1Y2样品对盐酸四环素的降解率最低，仅为61.43%，随着TiO2负载量的增加，体系的光催化性能逐步增强。与T1Y2相比，T1Y1.5对盐酸四环素的降解率略有上升，达到61.81%；当质量比为1 :1时，T1Y1样品的光催化降解率达到了83.79%；而继续增加TiO2负载量，T2Y1对盐酸四环素分子的光催化降解率为82.29%，说明负载量过大时体系光催化效率反而有所下降。这可能是因为复合材料中负载态的纳米TiO2过多时，酵母碳球表面的催化剂负载层显著增厚，不利于吸附-光催化协同效应的充分发挥。
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图 4 不同负载量纳米TiO2@酵母碳球的光催化性能 Fig.4 Photocatalytic degradation of nano-TiO2@yeast carbon samples with different loading of TC |
通过对光催化实验数据进行反应动力学拟合(图 5)，可知各样品光催化过程中的ln(ρ0/ρ)与反应时间具有较好的线性关系，可以用准一级动力学模型来描述，符合Langmui r- Hinshelwood反应动力学方程。由表 2可知，在相同的光催化条件下，4个不同负载量样品中，T1Y1具有最大的表观反应速率常数(k1=0.2949)，表明质量比为1 :1时，TiO2@酵母碳球的光催化活性最高。
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下载CSV 表 2 不同负载量样品的光催化表观动力学参数 Table 2 Dynamic parameters of photocatalytic degradation of nano-TiO2@yeast carbon samples with different loading |
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图 5 不同负载量纳米TiO2@酵母碳球光催化动力学拟合 Fig.5 Kinetic fitting of photocatalytic degradation of samples with different loading of TC |
为了充分阐释由生物自组装技术实现纳米TiO2在酵母碳球表面的可控负载所得到的纳米TiO2@酵母碳球的构效关系及主客体的吸附和光催化协同效应，以质量比为1 :1的纳米TiO2@酵母碳球(T1Y1)为对象，考察了纳米TiO2和纳米TiO2@酵母碳球对模拟盐酸四环素抗生素的吸附/可见光催化降解去除性能，结果如图 6所示。
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图 6 不同样品对盐酸四环素的去除率与协同因子 Fig.6 TC removal efficiency of samples and synergistic cofactors |
通过比较纳米TiO2及复合材料对盐酸四环素的去除率，可知纳米TiO2@酵母碳球材料T1Y1在黑暗条件下对盐酸四环素的吸附去除率仅为12.6%，其中，作为载体的酵母碳球发挥了重要的吸附作用[15]；在可见光照射下，T1Y1对盐酸四环素的光催化去除率高达80.5%，样品在光催化前40min内具有较高的反应速率；而选用与T1Y1中所含TiO2等量的纳米TiO2单独对盐酸四环素开展可见光催化时，测得的去除率仅为26%。基于以上实验结果，可以认为目标污染物与复合光催化剂的作用机制为：首先，纳米TiO2@酵母碳球中的纳米TiO2和酵母碳球均可对污染物分子实现吸附富集，通过生物自组装实现的纳米TiO2在酵母表面的均匀负载提升了TiO2吸附性能，酵母碳球因其表面—COOH官能团的存在而兼具物理吸附与化学吸附性能；在光催化阶段，纳米TiO2通过光激发的表面氧化还原反应对表面富集的污染物发挥积极的降解作用；光催化过程中的吸附富集作用与光催化降解过程的有机结合实现了表面光催化反应速率的加大，显著提升了纳米TiO2@酵母碳球对盐酸四环素的去除性能。
为了评估纳米TiO2@酵母碳球的吸附-光催化协同效应，引入协同因子β。根据式(2)计算，若β=1，说明纳米TiO2与酵母碳球对盐酸四环素的去除效果只是光催化与吸附作用的简单叠加；若β＞1，说明两者具有协同作用；若β1，说明协同作用显著。基于光催化实验数据，对协同因子β进行计算(图 6)，可知在反应刚开始的20min内，体系协同因子高达3.7以上，此时，复合材料内部的酵母碳球和外层的纳米TiO2均表现出优异的吸附和光催化性能，可见光照射下体系的光催化效率最高；光催化进行至20~40min时，纳米TiO2@酵母碳球的吸附逐步趋于稳定，同时纳米TiO2的光催化速率也较为平稳，但复合材料TiO2@酵母碳球依然保持较快的降解速率，此时协同系数逐步稳定至3.0左右，说明这期间的主客体之间吸附-光催化协同效应非常显著，纳米TiO2@酵母碳球内部酵母碳球的吸附富集性能为材料表面优异的光催化反应提供了重要的污染物浓缩效应和传质条件；在光催化反应末期(40~70min)，随着体系中污染物浓度的急剧下降，纳米TiO2@酵母碳球的光催化效率逐步降低，此时体系的协同系数表现为2.1。由此可知，纳米TiO2@酵母碳球对盐酸四环素分子的高效光催化降解效果不仅仅是纳米TiO2与酵母碳球各自对盐酸四环素的去除率简单相加的结果，在整个光催化过程中复合材料中存在显著的吸附-光催化协同效应。
2.6 响应面优化通过单因素实验，确定了光催化影响因素pH、催化剂/污染物浓度比值和温度及其变化范围后，根据响应面法中的BBD设计方法，按照表 3开展实验具体运行，并测定相应的光催化降解率，所得的二次多项式模型(式(3))可说明降解率和各个因素之间的关系。
| $ \begin{array}{l} \;\;\;Y = - 235.92 + 27.83A + 127.95B + 9.58C - \\ 5.25AB + 0.02AC - 5.11BC - 1.97{A^2} - 64.42{B^2} - \\ 0.12{C^2} \end{array} $ | (3) |
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下载CSV 表 3 实验参数和光催化降解率 Table 3 Experimental parameters and photocatalytic degradation efficiencies |
式中，Y为光催化降解率，A为pH，B为催化剂/污染物浓度比值，C为温度。
使用方差分析(ANOVA)对响应面模拟的显著性进行检验，结果见表 4。相关系数的显著性由F值和P值来决定，模型的F=106.49，P < 0.001，说明该模型显著，具有良好的拟合程度，可用以分析和预测各条件对纳米TiO2@酵母碳球光催化降解盐酸四环素的影响，从而优化光催化反应条件。
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下载CSV 表 4 响应面模型的方差分析 Table 4 ANOVA of model designed by RSM |
基于响应面优化结果，绘制因素交互作用对纳米TiO2@酵母碳球光催化降解盐酸四环素影响的三维曲面图(图 7)，经过优化得到，当温度为40.2℃，pH为5.89，催化剂/污染物浓度比值为0.76时，体系对盐酸四环素的降解率达到最大，为90.86%。
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图 7 两因素交互作用对光催化影响的三维曲面图 Fig.7 3D surface figures showing the interaction effect of two factors |
(1) 纳米TiO2@酵母碳球光催化降解盐酸四环素的最佳光催化条件为40.2℃，pH 5.89，催化剂/污染物浓度比值0.76，在此条件下催化剂体系对盐酸四环素的光催化降解率高达90.86%。
(2) 通过分析评价纳米TiO2@酵母碳球对盐酸四环素的吸附和光催化活性等性能，验证了纳米光催化剂的生物碳负载产物主客体之间功能协同的综合效果，有助于揭示生物纳米负载手段在新颖无机纳米功能材料合成方面的综合优势和应用潜力。
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