姚 静，翟梦婉，袁明明，刘炳坤，刘贝贝，孙 滨，张静涛

(1.郑州轻工业大学 食品与生物工程学院，河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南 郑州 450002 ; 2.郑州轻工业大学 材料与化学工程学院，河南省表界面科学重点实验室，河南 郑州 450002 ; 3.山东金城医药集团股份有限公司，山东 淄博 255000)

随着安全用水需求量的日渐增多，对水中病原微生物的杀灭变得更加迫切。为了解决病原微生物对水资源的污染问题，已研究报道出多种物理和化学杀灭病原微生物的方法，包括氯消毒、臭氧消毒、抗生素和紫外杀菌等方法[1-2]。报道显示氯消毒产生的消毒副产物，对哺乳动物有致癌和致畸变作用[3]。虽然在众多饮用水消毒过程中仍然采用臭氧对微生物进行灭活，但是臭氧并不稳定，容易分解，不能连续对大肠杆菌进行消杀，所以消毒时间并不持久，仅在一定时间范围内对细菌有杀灭作用，而且在消毒过程中分解产生了细菌的生存物质[4]。抗生素杀菌方法虽然效果较好，但是水体中抗生素残留无法完全清除，可能加剧水体抗生素污染[5]。紫外线消毒通过破坏微生物的核酸来灭活微生物，虽然在消毒过程中体现出持续性，但大量直接使用紫外线辐射具有一定的危害性，这也限制了它的应用[6]。因此，研究开发一种高效杀灭大肠杆菌且安全的方法，是处理废水和污水工作中亟待解决的问题。

许多类型的半导体材料，如氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)已经开发和应用[4]。TiO2作为目前最流行的光催化材料，在杀菌方面得到了广泛的研究，其在杀灭病原菌方面具有广阔的应用前景[3]。与传统杀灭病菌的物理化学方法相比，TiO2介导的细菌灭活是一种新的杀菌方法，不产生有害消毒副产物。此过程不仅可以将病菌完全降解，还可以降解菌产生的毒素[7]。

在紫外光辐照下，纳米TiO2材料会产生电子-空穴对(electron hole pairs)，光生电子-空穴对可以转移到TiO2表面，与表面吸附的水以及环境中的氧气等分子发生反应，从而产生活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)，如羟基自由基(·OH)、超氧自由基(·O2-)等[8-10]。这些活性氧基团破坏细胞壁细胞膜的结构，从而使细胞微生物死亡[7]。因此，杀菌效果取决于TiO2的光催化能力。然而，纯的TiO2产生的ROS较少，因其光生电子空穴易复合，原因在于纯的TiO2禁带宽度比较大[11]。光生电子和空穴复合极大地限制了ROS的生成，研究人员采用修饰或改性等手段，拓展纯TiO2光响应范围，通过加速载流子分离，强化提高可见光的利用效率，进而提高光催化效率。钯作为一种贵金属，具有很好的催化活性，对TiO2进行修饰后，能够提高TiO2的电子空穴分离能力。

本文通过溶剂热的方法对TiO2材料进行改性，合成了具有可见光响应的Pd修饰的B掺杂TiO2复合材料，该复合材料可有效利用可见光进行光催化杀灭大肠杆菌。通过合成不同含量Pd修饰的B掺杂TiO2复合材料，利用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外可见光分光光度计等方法分析复合材料的表征及性能，并测试其对大肠杆菌的杀灭效果。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

硼化钛(99%)、氯化钯(99.99%)、氢氧化钠(98%)、无水硫酸钠(99%)，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸二氢钾(99%)、磷酸氢二钠(99%)、氯化钠(99.5%)、氯化钾(99.5%)，购自天津市风船化学试剂科技有限公司；LB固体培养基购于北京奥博星生物技术有限责任公司；盐酸(37%)购于烟台市双双化工有限公司；无水乙醇(99.7%)购于国药集团化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

D8 Advance型XRD利用X射线衍射仪，德国Bruker公司；JEM2100型TEM，日本电子株式会社；U-3900H型紫外可见分光光度计，日本日立公司；ESCALAB250型XPS，美国赛默飞世尔有限公司；930N型荧光分光光度计，上海仪电公司；PLS-SXE 300型氙灯光源，北京泊菲莱科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1钯修饰的硼掺杂二氧化钛(B/TiO2)

首先采用溶剂热法制备硼掺杂二氧化钛(B/TiO2)，将0.275 g的TiB2置于聚四氟乙烯反应釜中，然后配制0.11 mol/L的Na2SO4和1 mol/L的HCl混合溶液，取上述混合溶液60 mL至含有TiB2的聚四氟乙烯反应釜中，搅拌均匀后(200 ℃)，保温24 h，冷却至室温后倒去上清液，水洗和醇洗去除杂质，在60 ℃烘箱烘干，研磨成粉备用；第二步将Pd与已经合成的B/TiO2材料进行复合，称取200 mg上述得到的B/TiO2粉末，按照Pd与B/TiO2质量比为1%、3%、5%、7%、10%计，依次称取PdCl2置于40 mL去离子水中，搅拌均匀；最后将100 mg的NaBH4置于20 mL去离子水中搅拌，待完全溶解后滴加到PdCl2与B/TiO2的混合溶液中，反应4 h，使PdCl2经NaBH4还原至B/TiO2表面，再次用水洗和醇洗去杂质，置于真空干燥箱中干燥后，研磨成粉末，制得Pd-B/TiO2纳米复合材料。

1.3.2光催化灭菌实验

测试菌种为大肠杆菌K12(ATCC15597)菌株，先将冷藏的菌种在固体LB培养基上进行平板划线，放入人工气候培养箱中培养，温度为37 ℃，培养24 h后，用灭菌牙签挑取一个单菌落于液体LB培养基中，在振荡培养箱中37 ℃培养，150 r/min的转速，连续培养12 h。将培养好的菌液转移至离心管中，8 000 r/min，离心6 min，缓慢倒去上清液。离心管中的菌体，PBS缓冲液清洗两次，调整菌悬液浓度约2×109CFU/mL备用。

用移液枪吸取9.9 mL PBS缓冲液，称取10 mg Pd-B/TiO2纳米复合材料，置于直径6 cm小平皿中，超声波分散仪超声分散10 min，氙灯(滤掉400 nm以下和700 nm以上的波段)调整光强为40 mW/cm2预热。取0.1 mL上述菌悬液于含有材料的小平皿中，吹打混匀。取0.1 mL材料和菌混合液梯度稀释后，均匀涂布在固体LB培养基上，进行平皿计数作为初始样品。之后将平皿置于氙灯下，每隔20 min吸取0.1 mL小平皿中的菌液进行稀释涂布，时间为2 h。将涂布好的平板置于37 ℃培养箱中培养过夜后，进行菌落计数，并重复3次以上操作。

2 结果分析

2.1 材料结构形貌与成分分析

图1为制备的不同比例(物质的量比)的Pd-B/TiO2的XRD图谱。

图1 Pd-B/TiO2的XRD图谱

由图1可以看出，合成得到的晶体衍射峰与TiO2标准卡片(JCPDFNo.21-1272)对比后发现，特征衍射峰主要是TiO2，不难看出前驱体材料TiB2已完全转化为B/TiO2，即所合成的样品主要为TiO2，而且特征衍射峰具有较高的衍射强度，并且衍射峰的形状较为尖锐，可见材料的结晶度较好。对比单质Pd的标准卡片(JCPDF NO.05-0681)，在质量分数为10%和7%样品中可以看到Pd微弱的衍射峰。

图2a为Pd-B/TiO2样品形貌图，透射电镜下的纯TiO2材料呈不规则片状，表面粗糙。图2b高分辨透射图片中一个晶格间距为0.35 nm，对应TiO2特征衍射峰(JCPDSNo.21-1272)卡片的TiO2(101)晶面。

图2 Pd-B/TiO2样品透射图

在材料表面还负载着一些黑色颗粒物，晶格间距为0.20 nm，对应Pd单质特征衍射峰(JCPDSNo.05-0618)卡片的Pd(200)晶面。研究表明，光催化剂的效率受结构和尺寸的显著影响，Pd-B/TiO2复合材料的结构呈不紧密排列，光催化反应时能增大接触面积，提高催化反应速率[2]。

如图3(a～e)所示，分别是复合材料的全谱图和Ti、Pd、O、B的能谱图。图3a是Pd-B/TiO2纳米材料的XPS分析谱图。由图3可以看出，复合材料是由Ti、O、Pd、B 4种元素组成的。图3b显示，在结合能458.2 eV和463.9 eV处分别对应Ti 2p的Ti 2p3/2与Ti 2p1/2，但是不掺杂TiO2的结合能分别对应458.9 eV处的Ti 2p3/2以及464.7 eV处的Ti 2p1/2，这是因为复合材料中掺杂了B单质的原因，使得结合能略有偏低。图3c中Pd 3p的拟合峰结合能为：342.2、340.3、337.1、335.2 eV。Pd元素的结合能为335.2 eV和340.5 eV，分别对应Pd单质的Pd 3d5/2和Pd 3d3/2轨道；PdO的结合能为336.9 eV和342.2 eV，分别对应PdO 3d5/2和PdO 3d3/2轨道，这是其特征峰Pd0，表明Pd以单质形式存在，NIE等[12]认为可能是由于Pd在光催化剂表面氧化所致。图3d中O 1s的结合能在529.9、531.4、533.0 eV处，分别对应的是Ti—O键、O—H键、B—O键[13]。图3 e中结合能187.5、190.9 eV以及191.7 eV对应的是B 1s的拟合峰，陈代梅等[14]认为结合能187.5、191.7 eV处对应TiB2的Ti—B—Ti，190.9 eV对应B—Ti—O，B以间隙型和取代的方式掺杂TiO2材料中。

图3 Pd-B/TiO2的X射线光电子能谱分析谱图

2.2 紫外-可见漫反射(UV-Vis)分析

图4为添加不同含量的Pd修饰的B掺杂TiO2复合材料的紫外可见光吸收光谱图。

图4 Pd-B/TiO2紫外-可见吸收光谱图

由图4可以看出，Pd-B/TiO2复合材料在紫外光区具有本征吸收峰，不添加Pd的B/TiO2材料具有微弱的可见光吸收性能[15]。Pd具有表面等离子体效应，可以使材料在可见光范围内增加光吸收效应，进而提高其光催化杀菌能力。所以，随着Pd含量的增加，Pd-B/TiO2复合材料在可见光区的响应能力逐渐增强。

2.3 稳态荧光(PL)分析

图5是Pd-B/TiO2复合材料用450 nm的滤光片过滤的稳态荧光图谱，激发波长为385 nm，反映出复合材料的电子-空穴对含量。

由图5可知，7% Pd-B/TiO2复合材料的荧光比较低，其光生电子-空穴对复合的速度也相对较慢，在一定程度上加快了光催化反应速率。而其他含量的Pd-B/TiO2的荧光强度都比7%的复合材料高。材料的荧光强度越低，其光生电子与空穴的复合速度就越低，产生的活性氧基团则越多，材料的杀菌性能则越好。

图5 Pd-B/TiO2稳态荧光图谱

2.4 杀菌性能测试

图6为Pd-B/TiO2复合材料杀灭大肠杆菌的存活情况。图中大肠杆菌的起始密度约为2×107CFU/mL。

图6 Pd-B/TiO2杀灭大肠杆菌的存活率图

由图6可见，仅在可见光照射下，以及质量分数7% Pd-B/TiO2材料在黑暗条件下，大肠杆菌的数目基本上没有变化，绝大多数的大肠杆菌依然存活。B/TiO2材料在120 min的可见光照射下对大肠杆菌的杀灭效果并不显著，大肠杆菌在可见光照射120 min后存活率仍达80%，表明B/TiO2材料光催化杀菌能力较弱。1%和3%的Pd-B/TiO2在可见光的照射下，大肠杆菌的存活率依然很高，大肠杆菌的数目仅仅降低了不到一个数量级。随着Pd含量的增加，Pd-B/TiO2复合材料的杀菌性能逐渐增强，5% Pd-B/TiO2在可见光照射120 min后，大肠杆菌几乎全部失活，菌落数目降低了7个数量级左右；7% Pd-B/TiO2复合材料在可见光照射120 min后，大肠杆菌全被杀死，存活率为零，杀菌效果最好。然而，当Pd的添加量达到10%时，复合材料的光催化杀菌效果反而有所降低。可见，当Pd的添加量为7%时，杀菌性能最优。

可见光强度为40 mW/cm2下的7% Pd-B/TiO2复合材料杀灭大肠杆菌的情况见图7。由图7可以明显看出，在各时间段大肠杆菌的生长情况。图7(a～g)为7% Pd-B/TiO2复合材料在光强为40 mW/cm2的可见光照射下，在0、40、80、120 min时，浓度约2×107CFU/mL大肠杆菌在琼脂平板上的生长情况；与之对应的图7b、图7d、图7f、图7h为梯度稀释后，浓度约2×103CFU/mL大肠杆菌的生长情况。

图7 大肠杆菌在7% Pd-B/TiO2复合材料经不同时间可见光作用下在琼脂平板上的生长状态

由图7可见，7% Pd-B/TiO2复合材料在可见光照射40 min时，如图7(a～c)所示，大肠杆菌浓度从约2×107CFU/mL降至约2×106CFU/mL，图7(b～d)，稀释后大肠杆菌数目由200降为20左右，降低了一个数量级；80 min时，如图7(a～e)所示，大肠杆菌浓度从2×107CFU/mL左右降至2×102CFU/mL左右，降低了5个数量级；照射120 min后，如图7(a～g)所示，大肠杆菌全被杀死，不再生长。

3 结论

通过溶剂热法合成了钯修饰硼掺杂的二氧化钛(Pd-B/TiO2)。以硼化钛为前驱体经过溶剂热法制备了硼掺杂TiO2，再经过硼氢化钠还原钯到材料表面，最终形成Pd-B/TiO2的纳米光催化复合材料。所合成的纳米复合材料呈不规则片状，在可见光区具有较好光吸收。7% Pd-B/TiO2荧光强度最低，密度为2×107CFU/mL的大肠肝菌混合溶液，在可见光环境中，2 h就能被其全部杀灭，是一种良好的杀菌材料。