一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法

1.本发明属于无机材料合成领域，具体涉及一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法。


背景技术：

2.碳酸镍是一种重要的镍化合物，目前已知的形态有正碳酸镍、碱式碳酸镍和酸式碳酸镍。作为一种重要的无机精细化学品，碱式碳酸镍被广泛应用于工业催化剂、精密电镀、印刷电路板电镀、通用合金电镀、镍钴合金电镀、陶瓷工业等领域。碱式碳酸镍是制备多种镍盐的原料，并且是正在逐步替代传统石油化工催化剂的新兴化工产品。
3.工业上合成碱式碳酸镍的方法有多种，因其制备方法不同而有差异，其分子式写为xnico3·
yni(oh)2·
zh2o。其中最为常规的是碳酸钠法，该方法通过在硫酸中分次加入硝酸配成混酸，然后加入金属镍，与硝酸反应生成硝酸镍，再与硫酸反应生成硫酸镍溶液，再加入纯碱反应生成碱式碳酸镍，经过滤、浓缩、冷却结晶、离心分离，制得碱式碳酸镍成品。现有的合成方法不仅对温度和时间的要求较高，而且后处理步骤复杂，成本较高，同时存在有害杂质不易去除的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中存在的上述问题，提供一种合成条件温和、步骤简单且无有害污染的基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法。
5.为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
6.一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，依次包括以下步骤：
7.步骤一、先培养巴氏芽孢八叠球菌，再收集菌体并用无菌水重悬得到重悬菌液；
8.步骤二、先将重悬菌液加入尿素和氯化镍的混合溶液中，于室温下进行生物诱导矿化反应，然后收集沉淀依次进行洗涤、干燥，得到碱式碳酸镍。
9.步骤二中，所述尿素和氯化镍的混合溶液中尿素、氯化镍的浓度分别为0.4-0.6mol/l、0.008-0.012mol/l，重悬菌液与尿素和氯化镍的混合溶液的体积比为1:0.8-1.2。
10.步骤一中，所述重悬菌液的od值为2.5-4.0。
11.所述步骤二中，将重悬菌液加入尿素和氯化镍的混合溶液中后调节体系ph至7.5-8.5，使生物诱导矿化反应在碱性环境中进行。
12.步骤一中，所述巴氏芽孢八叠球菌的保藏编号为atcc11859，其培养方法为：
13.无菌环境下，先将巴氏芽孢八叠球菌接种至添加有尿素的lb固体培养基中培养，然后挑取单菌落接种至添加有尿素的lb液体培养基中孵育。
14.所述重悬菌液的制备方法为：
15.将孵育完成后的菌液离心后取沉淀，再依次用无菌生理盐水、无菌水对沉淀进行洗涤，最后加入无菌水重悬得到与孵育完成后的菌液体积相同的重悬菌液。
16.所述添加有尿素的lb固体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l、琼脂18-22g/l；
17.所述添加有尿素的lb液体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l。
18.步骤二中，所述生物诱导矿化反应的时间为10-30min。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
20.本发明一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法先培养巴氏芽孢八叠球菌，再收集菌体并用无菌水重悬得到重悬菌液，然后将重悬菌液加入尿素和氯化镍的混合溶液中，于室温下进行生物诱导矿化反应，最后收集沉淀依次进行洗涤、干燥，得到碱式碳酸镍，该方法利用巴氏芽孢八叠球菌分泌到胞外的脲酶在有尿素的环境中通过生化反应得到碳酸根离子并提高胞外环境的ph，使游离的镍离子与碳酸根离子和氢氧根离子结合生成碱式碳酸镍，其相比于化学合成法不仅具有更好的稳定性，而且反应条件温和，步骤简单，产物和反应体系中无有害杂质，不会产生有害污染，同时，采用本方法得到的碱式碳酸镍产品相对于化学合成的碱式碳酸镍具有更高的含碳比，更适合于作为有机镍盐制备的中间体使用。因此，本发明方法不仅反应稳定性好、条件温和、步骤简单、无有害污染，而且具有更高的含碳比，更适用于有机镍盐制备的中间体。
附图说明
21.图1为实施例1得到的产品的sem测试图。
22.图2为实施例3得到的产品的sem测试图。
23.图3为ar级化学合成碱式碳酸镍的sem测试图。
24.图4为对比例得到的产品的sem测试图。
25.图5为实施例1、实施例3得到的产品以及ar级化学合成碱式碳酸镍的显微观察结果。
26.图6为实施例1得到的产品的热重tga分析图。
27.图7为实施例3得到的产品的热重tga分析图。
28.图6、图7中，曲线1为质量变化曲线，曲线2为热流曲线，该曲线呈凸起状表示放热，曲线3为温度变化曲线，方框中的数据为曲线1、2、3在时间为0时的数据，即初始数据。
具体实施方式
29.下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步的说明。
30.本发明提供了一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，该方法利用巴氏芽孢八叠球菌(购自北京生物保藏中心，编号atcc11859)能分泌脲酶到胞外，在有尿素的环境中能将其分解并进行一系列生化反应得到碳酸根离子并提高胞外ph，同时菌体表面含有许多蛋白质、糖类、脂质等成分，这些成分中存在着许多基团，借助基团的静电吸附作用可将二价镍离子吸附在细菌表面，并和胞外的碳酸根离子及氢氧根离子结合生成碱式碳酸镍，细菌表面的生物成分和胞外脲酶可调控矿化物的产生量与速度，因此表面形成了特殊大小和形状的镍矿。
31.相比于化学法，生物矿化反应合成所得矿物比表面积大，具有更加出众的稳定性。
同时，巴氏芽孢八叠球菌为环境友好型细菌，在整个生化反应过程中会有许多多肽附着在矿物表面，从而提高了其亲水性，具有天然产物在构象上的优势。
32.实施例1：
33.一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，依次按照以下步骤进行：
34.1、无菌环境下，先将巴氏芽孢八叠球菌通过平板划线的方式接种至添加有尿素的lb固体培养基中，于37℃下培养36h得到平板菌落，再挑取单菌落接种至3ml添加有尿素的lb液体培养基中，于30℃下摇床孵育24h，然后按1:100的体积比将菌液接种于lb液体培养基中，再次于30℃下摇床孵育24h，其中，所述添加有尿素的lb固体培养基的配方为：氯化钠10g/l、胰蛋白胨10g/l、酵母粉5g/l、尿素10g/l、琼脂20g/l，所述添加有尿素的lb液体培养基的配方为：氯化钠10g/l、胰蛋白胨10g/l、酵母粉5g/l、尿素10g/l；
35.2、将孵育完成后的菌液于4℃下离心后取沉淀，再将沉淀依次用无菌生理盐水洗涤一次、无菌水洗涤两次，之后加入无菌水重悬得到与孵育完成后的菌液体积相同、od值为3.5的重悬菌液；
36.3、室温下将重悬菌液与尿素和氯化镍的混合溶液等体积混合，溶液迅速变浑浊，生成浅绿色悬浮物，静置10min后悬浮物开始沉降，上部分出现澄清液，此时于4℃下进行离心，取沉淀用无菌水洗涤两次，然后将洗涤后的沉淀于-60℃真空冷冻干燥得到绿色的碱式碳酸镍冻干粉，其中，所述尿素和氯化镍的混合溶液中尿素、氯化镍的浓度分别为0.5mol/l、0.01mol/l。
37.若需要除去沉淀中的菌体，可将其通过0.45微米滤膜来进行分离。
38.实施例2：
39.与实施例1的不同之处在于：
40.步骤1中，所述添加有尿素的lb固体培养基的配方为：氯化钠9g/l、胰蛋白胨9g/l、酵母粉4.5g/l、尿素9g/l、琼脂18g/l，所述添加有尿素的lb液体培养基的配方为：氯化钠9g/l、胰蛋白胨9g/l、酵母粉4.5g/l、尿素9g/l；
41.步骤2中，所述重悬菌液的od值为3.2；
42.步骤3中，所述重悬菌液与尿素和氯化镍的混合溶液的体积比为1:1.2，所述静置的时间为20min。
43.实施例3：
44.与实施例1的不同之处在于：
45.步骤3中，室温下将重悬菌液与尿素和氯化镍的混合溶液等体积混合迅速滴加氢氧化钠溶液，调节体系ph至8.0，使生物诱导矿化反应在碱性环境中进行，离心得到的沉淀经洗涤后置于热鼓风真空干燥箱中80℃干燥，再用研钵研磨至细小颗粒，产品呈绿色。
46.对比例：
47.步骤与实施例1相同，不同之处在于：
48.步骤3中，室温下将重悬菌液与氯化镍溶液等体积混合后静置30min，且氯化镍溶液中氯化镍的浓度为0.01mol/l。
49.为考察本发明产品的化学性质，进行如下测试：
50.1、sem测试
51.将实施例1、实施例3、对比例得到的产品以及ar级化学合成碱式碳酸镍同时进行
sem测试，结果如图1-图4所示。
52.由图1-图4可知，实施例1得到的碱式碳酸镍冻干粉中，细菌表面及外部形成了球形镍矿物，直径在50-100nm，菌体形态完整，表面矿物少，无结块。实施例3得到的细小颗粒中，镍矿物与菌体混合在一起，形貌不规则，且大小不等，体积相对较大，菌体形态已破坏，少量结块。对比例得到的冻干粉中，细菌表面没有镍矿物生成，和细菌菌体本身形貌相同，呈杆状。ar级化学合成碱式碳酸镍的晶体直径为200-600nm，接近球形，相对聚集。
53.2、显微观察
54.将实施例1、实施例3得到的产品以及ar级化学合成碱式碳酸镍在光学显微镜(1000倍)下观察其颗粒状态，结果如图5所示.
55.由图5可知，相较于实施例3，实施例1得到的产品和ar级化学合成碱式碳酸镍的颗粒更为细小，且比较分散。
56.3、晶体考察
57.将实施例1、实施例3、对比例得到的产品以及ar级化学合成碱式碳酸镍同时进行edx与xrd分析，结果如表1所示：
58.表1四种材料的edx与xrd分析结果
[0059][0060]
由表1可知，从晶型上看，实施例1和实施例3得到的产品虽然都属于碱式碳酸镍，但两者的晶型不同，实施例3得到的产品与化学合成的碱式碳酸镍具有相同的晶型。从各材料中碳、镍元素的相对质量分数上看，实施例1和实施例3得到的产品具有比化学合成碱式碳酸镍更高的含碳比，而对比例得到的产品中没有镍元素，只有细菌本身的碳元素。
[0061]
4、热重tga分析
[0062]
分别对实施例1和实施例3得到的产品进行热重tga分析，结果如图6、图7所示。
[0063]
由图6可知，实施例1得到的产品随温度的升高，重量会先上升后下降，最后趋于稳定，整体重量变化不大，温度上升300℃左右重量骤减，放出大量的热，转化为氧化镍，符合碱式碳酸镍特点，可以用作陶瓷着色剂。
[0064]
由图7可知，实施例3得到的产品随温度的升高，重量会先上升后下降，最后趋于稳定，整体重量变化不大，温度上升300℃左右重量骤减，放出大量的热，转化为氧化镍，符合碱式碳酸镍特点，可用于制备氧化镍或有机镍盐。

技术特征：
1.一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：所述方法依次包括以下步骤：步骤一、先培养巴氏芽孢八叠球菌，再收集菌体并用无菌水重悬得到重悬菌液；步骤二、先将重悬菌液加入尿素和氯化镍的混合溶液中，于室温下进行生物诱导矿化反应，然后收集沉淀依次进行洗涤、干燥，得到碱式碳酸镍。2.根据权利要求1所述的一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：步骤二中，所述尿素和氯化镍的混合溶液中尿素、氯化镍的浓度分别为0.4-0.6mol/l、0.008-0.012mol/l，重悬菌液与尿素和氯化镍的混合溶液的体积比为1:0.8-1.2。3.根据权利要求1或2所述的一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：步骤一中，所述重悬菌液的od值为2.5-4.0。4.根据权利要求1或2所述的一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：所述步骤二中，将重悬菌液加入尿素和氯化镍的混合溶液中后调节体系ph至7.5-8.5，使生物诱导矿化反应在碱性环境中进行。5.根据权利要求1或2所述的一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：步骤一中，所述巴氏芽孢八叠球菌的保藏编号为atcc11859，其培养方法为：无菌环境下，先将巴氏芽孢八叠球菌接种至添加有尿素的lb固体培养基中培养，然后挑取单菌落接种至添加有尿素的lb液体培养基中孵育。6.根据权利要求5所述的一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：所述重悬菌液的制备方法为：将孵育完成后的菌液离心后取沉淀，再依次用无菌生理盐水、无菌水对沉淀进行洗涤，最后加入无菌水重悬得到与孵育完成后的菌液体积相同的重悬菌液。7.根据权利要求5所述的一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：所述添加有尿素的lb固体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l、琼脂18-22g/l；所述添加有尿素的lb液体培养基的配方包括：氯化钠9-11g/l、胰蛋白胨9-11g/l、酵母粉4.5-5.5g/l、尿素9-11g/l。8.根据权利要求5所述的一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，其特征在于：步骤二中，所述生物诱导矿化反应的时间为10-30min。

技术总结
一种基于生物矿化反应合成碱式碳酸镍的方法，该方法先培养巴氏芽孢八叠球菌，再收集菌体并用无菌水重悬得到重悬菌液，然后将重悬菌液加入尿素和氯化镍的混合溶液中，于室温下进行生物诱导矿化反应，最后收集沉淀依次进行洗涤、干燥以得到碱式碳酸镍。本设计不仅反应稳定性好、条件温和、步骤简单、无有害污染，而且具有更高的含碳比，更适用于有机镍盐制备的中间体。中间体。中间体。


技术研发人员：谢浩 段锋 李其昌 郭君慧 徐立 贾明宇 王霄晗 冯小粟
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2022.03.07
技术公布日：2022/5/25