生物法还原氧化石墨烯研究进展

林 童，解春艳*，丁文其，唐 坤

(1.廊坊师范学院生命科学学院，河北 廊坊 065000;2.天津大学化工学院，天津 300072)

石墨烯是一种由sp2杂化碳原子排列成六角蜂窝网状的单层基底构成的二维晶体，是许多碳材料(如碳纳米管、石墨等)的构成基石[1-2]。石墨烯结构独特，含有强大的平面σ键和π键，具有优良的力学性能、电性能[3-4]、导热性和电子迁移率，被认为是目前世界上最薄的可拉伸晶体，在传感器、光电器、存储、电池、复合材料等领域具有非常重要的作用[5-10]。目前，石墨烯的制备采用的是热解法和化学气相沉积法[11]，随着石墨烯的广泛应用，研究者积极探索适宜大规模生产且无需复杂仪器、高温条件和惰性环境的生产工艺，而从氧化石墨烯(graphene oxide,GO)经还原制备石墨烯是一种有效的替代方法[12]。

GO作为石墨烯制备的前驱体，具有类似石墨烯的二维结构以及不同于石墨烯的许多独特性质，其单层碳原子在石墨薄片化学剥离过程中，在基面上和边缘上被引入含氧基团(羟基、环氧化合物、羰基等)共价功能化，使其更易于分散处理，具有较高的胶体稳定性和独特的机械、胶体、光学特性[13-17]，越来越受到研究者的关注[18-20]。GO通过还原去除含氧基团和原子尺度晶格缺陷，可以恢复石墨共轭结构，转化为还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,rGO)，从而恢复类石墨烯的性能[17,21-22]。还原方式不同，制备的rGO的性能也存在差异，其中生物法还原因具有环境友好、易扩大及效率高等优势引起人们的广泛兴趣。为此，作者对近年来微生物还原、糖类还原、氨基酸还原、蛋白质还原等绿色生物法还原GO的研究进展进行综述，分析其可能还原机理及存在的问题，以期为生物法还原制备rGO的深入研究提供新的思路。

1 微生物还原

自Salas等[23]无意间发现微生物可以还原GO之后，很多微生物被相继证明能够还原GO。Akhavan等[24]研究了不同接触时间下GO薄片与厌氧混合酸发酵大肠杆菌的相互作用，当接触时间从0 h延长到48 h时，细菌在培养基中的增殖导致GO薄片的脱氧量增加，最高可达60%；GO还原被认为是存活的细菌在含葡萄糖的厌氧条件下通过糖酵解过程的代谢活性，且GO薄片对细菌表面的吸附和增殖具有良好的生物相容性。酵母作为一种廉价而丰富的真核真菌，也具有还原GO的能力，酵母中存在的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)酶可以有效地还原有机酮。Khanra等[25]用贝克酵母作为还原剂和表面改性剂，成功地还原GO得到可分散在水中的生物功能化石墨烯，rGO的电导率为43 S·m-1。

希瓦氏菌(Shewanella)是一种异养兼性厌氧菌，普遍存在于各种环境中，其代谢产生的电子可以直接从细胞表面转移到外部电子受体，也可以通过自身分泌的电子载体实现电子转移，能够利用大量的有机和无机化合物作为其呼吸途径的终端电子受体；除氧外，希瓦氏菌还可以以砷酸盐、氧化铬、氧化铀、二甲基亚砜、三甲基亚砜、铁氧化物、锰氧化物、硝酸盐和氧化银等作为其电子受体；对于有毒金属(如铬和铀)，希瓦氏菌能够将其还原为不溶形式从而将其从溶液中去除。Salas等[23]以希瓦氏菌为研究对象，确定了微生物还原GO的能力。Yong等[26]和Lin等[27]研究发现，希瓦氏菌能够有效还原GO，得到的rGO的电子传递效率显著提高。Lehner等[28]分析发现，希瓦氏菌还原GO时羟基受影响强烈，而羰基不受影响，这与化学还原GO形成了鲜明对比。Shen等[29]制备了2种自组装的希瓦氏菌还原GO水凝胶，表现出较好的刚果红脱色和六价铬生物还原性能。希瓦氏菌还原GO操作方便、价格低廉、环保无毒，具有大规模生产的可行性和潜在的应用前景，但其具体的还原机理还需进一步探究。

自希瓦氏菌被证实具有绿色合成rGO的能力后，枯草芽孢杆菌、玫瑰糖球杆菌和脱硫弧菌也被证实具有还原GO的能力[30-32]，这种具有胞外电子转移能力的细菌能够将胞质中底物(电子供体)的氧化与不溶性胞外电子受体的还原耦合起来进行呼吸作用，其向GO转移电子的分子机制由外膜细胞色素C直接介导或氧化还原介质间接介导。细菌主要由碳(干重50%)、杂原子(如N、P、S)和微量元素组成，可以提供丰富的杂原子来填充碳材料[33]。硫还原地杆菌(Geobactersulfurreducens)是类似于希瓦氏菌的具有强电子传递能力的电化学活性细菌，由于其通过底物氧化产生电(使用导电电极作为电子受体)的杰出性能，在微生物电化学系统中被普遍作为阳极群落的主要成员。硫还原地杆菌具有与不溶性电子受体接触的独特能力，是因为它拥有一个庞大的多血红色素网，包含外膜细胞色素C和纳米丝(微生物蛋白纳米线)。Kalathil等[34]使用硫还原地杆菌掺杂/修饰rGO制备用于电催化的混合催化剂(rGO/硫还原地杆菌)，克服了现有制备掺杂/修饰石墨烯的许多缺点，该混合催化剂在碱性电解质中对析氧反应表现出较高的电催化活性，在过电位270 mV(vs.可逆氢电极)下产生的几何电流密度为10 mA·cm-2。Lu等[35]对硫还原地杆菌还原GO进行了深入探究，发现GO含量越高，对细胞膜的损伤越大，最佳含量为0.6 mg·mL-1。硫还原地杆菌还原GO的机理与希瓦氏菌不同，其还原GO主要依赖外膜细胞色素C，特别是在GO含量较低(<0.4 mg·mL-1)时，主要通过微生物细胞/GO界面的细胞外电子传递实现还原[35](图1)，而外膜细胞色素C对细胞外电子传递的调控以及细菌诱导GO还原的关键电子介质还有待进一步研究。

OM:outer membrane;IM:inner membrane;mqn:menaquinone;mqnH2:menaquinol;Cyt-C:cytochrome C

微生物还原GO避免了苛刻的化学物质，并有可能使用生物反应器进行升级。然而，还原后单个rGO薄片的电导率、平均厚度、结构质量及大规模生产还需进一步探究。

2 糖类还原

有报道称普通糖和多糖可作为GO的绿色还原剂，兼具还原剂和稳定剂的作用，从而产生更稳定的rGO分散液。葡萄糖具有温和的还原性和无毒的性质，所以很自然地被用作还原剂。Zhu等[36]研究了葡萄糖、果糖和蔗糖对GO的还原能力，其中葡萄糖对GO的还原能力最强，其在碱性介质中氧化生成醛糖酸，并进一步转化为内酯，再与rGO中残留的氧官能团形成氢键，葡萄糖的氧化产物除了对GO具有温和的还原能力外，还可能作为一种封盖剂在稳定制备状态方面发挥重要作用。Kim等[37]以右旋糖酐作为还原剂，绿色制备了rGO，其电导率为1.1 S·m-1，在氩气环境500 ℃下去除右旋糖酐，其电导率提高到10 000 S·m-1。Xu等[38]对葡萄糖、茶多酚和抗坏血酸还原GO进行了比较，发现葡萄糖开链结构上的醛基使其具有独特的还原性，茶多酚和抗坏血酸则是通过SN2亲核反应还原GO；3种rGO的电导率分别为3.53 S·cm-1、1.36 S·cm-1和9.8 S·cm-1。

此外，果糖、蔗糖也被成功地证明具有还原GO的能力，所得rGO可在水中稳定分散1个月以上。糖类还原已实际应用于大规模生产水溶性石墨烯纳米片。

3 氨基酸还原

L-半胱氨酸是最先报道的能还原GO的氨基酸，它是一种含有硫醇基团的氨基酸，硫醇能够进行氧化还原反应，易被氧化形成二硫化物衍生物胱氨酸；L-半胱氨酸具有抗氧化性能，其抗氧化特性通常表现在谷胱甘肽中。Chen等[39]利用L-半胱氨酸的抗氧化特性，在温和条件下于水溶液中成功制备了rGO纳米片，26 ℃还原72 h后，rGO的电导率比GO提高了约106倍，在GO的还原过程中，L-半胱氨酸的巯基释放质子，这些质子通常与GO的含氧基团(如羟基和环氧基团)有较高的结合力，从而形成水分子。

甘氨酸是一种环保型氨基酸，它的氨基能有效地与GO进行共价相互作用，并在回流条件下成功还原GO生成rGO。甘氨酸不仅可以作为化学功能化剂，还可以作为还原剂，此外，甘氨酸的低价格和无害特性使其成为大规模制备散装rGO的有效还原剂。Bose等[40]在温和条件下使用甘氨酸还原GO，rGO的C/O值高达11.24，比GO提高了5倍，rGO薄片在高能电子束下非常稳定。

氨基酸还原GO避免了有毒试剂的使用，还原过程中还原剂和副产物都具有生物相容性。

4 蛋白质还原

蛋白质是复杂的两亲性生物聚合物，其表面具有疏水和亲水区域，对固体表面具有黏附性。可以稳定吸附在GO/rGO基面上。Liu等[41]在合适的pH值和反应温度下，用牛血清白蛋白(BSA)一步还原GO，构建了一个多功能平台，实现基于石墨烯的杂化材料，特别是与预合成的具有不同性质的纳米颗粒的制备(图2)。但此反应对反应环境非常敏感，必须在温和的条件下进行，反应时间较长。Akhavan[42]比较了细菌视紫红质蛋白还原GO与化学试剂肼还原GO，发现视紫红质蛋白还原得到的rGO的电导率比肼还原的高一个数量级，这归因于有效的脱氧，没有形成任何的C-N键，且视紫红质蛋白具有质子泵功能，泵出的质子能更好恢复GO薄片的石墨结构。

图2 蛋白质还原GO的可能机理Fig.2 Possible mechanism of GO reduction by protein

5 结语

不同的生物法还原制备rGO的还原机理不同，得到的rGO的质量和功能化也存在差异。微生物还原操作简单、价格低廉，但还原后单个rGO薄片的电导率、平均厚度、结构质量及大规模生产还需进一步探究；糖类还原得到的rGO的电导率高，但是需要高温或高压等条件，能耗高；氨基酸或蛋白质还原效率高，还原效果好，但氨基酸或蛋白质的提取和纯化需要一定的技术条件。未来对生物法还原GO的研究主要集中在以下4个方面：深入探究各种生物法还原GO的机理；探索新的高效、经济、可控的绿色还原GO方法；多种还原方法结合，提高GO的还原效率和缺陷修复；拓展还原后rGO的应用领域。