氧化亚铜纳米线介观晶体仿生杂化材料的制备及其生物催化性能研究

发布时间：2020-03-27 03:36

【摘要】：介观晶体是以无机纳米粒子/颗粒为最小构筑单元,以有机物为稳定助剂,通过定向组装形成的有序三维纳米材料超级结构,具有独特的物理化学性能、比表面积大和孔隙率高等优点。其中,氧化亚铜纳米线介观晶体,是以高度各向异性的氧化亚铜纳米线为构筑单元,纳米线彼此贯穿定向搭接,组装形成的八面体有序三维结构。由于具有引人注目的形貌结构和优异的气体传感性能,氧化亚铜纳米线介观晶体引起了科研工作者的广泛关注。然而,现有制备氧化亚铜纳米线介观晶体的方法,是以氧化石墨烯为助剂,制备过程难以稳定控制且目标产物的产量较低(约30%),这些问题很大程度上限制了该介观晶体的研究与应用。本论文以傒-3,4,9,10-四羧酸酐分子作为新型的稳定助剂,开发了氧化亚铜纳米线介观晶体大规模可控制备工艺,并系统研究了该介观晶体在纳米酶和固定化酶方面的生物催化性能、机制及应用。1.氧化亚铜纳米线介观晶体大规模可控制备及类酶催化性能研究:本论文以傒-3,4,9,10-四羧酸酐分子作为材料合成时的稳定助剂,实现了氧化亚铜纳米线介观晶体的大规模可控复合制备。通过系统研究水热反应时间和初始反应溶液pH等条件对产物的影响,确定了大规模制备氧化亚铜纳米线介观晶体的工艺条件。利用容积为50 mL水热反应釜,调整初始溶液pH为5.3,在烘箱中180 ~oC保持15 h后,得到具有完美八面体形貌的氧化亚铜纳米线介观晶体,其产量高达75%,比已报道的合成方法提高2.5倍。将该制备工艺等比例扩大十倍后,所得氧化亚铜纳米线介观晶体的形貌、大小和结构无明显不同。氧化亚铜纳米线介观晶体具有类辣根过氧化物酶的催化活性,当过量H_2O_2存在时,它催化氧化底物邻苯二胺的K_(cat)值为1.14×10~(-2),比天然辣根过氧化物酶的K_(cat)值高近10倍,这表明其具有优异的类酶催化活力。重复使用性能测试结果发现,氧化亚铜纳米线介观晶体经过10次催化氧化邻苯二胺后,仍能保留最初催化活力的69.5%,且形貌结构未发生显著改变,说明该介观晶体作为纳米酶具有优异的重复使用性能和较高的稳定性。2.漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体仿生杂化材料的制备及酶催化性能研究:受细胞中粗面内质网启发,以含铜漆酶为模式酶,利用EDC/NHS缩合反应,将漆酶共价结合在氧化亚铜纳米线介观晶体上,得到漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体仿生杂化材料。通过研究漆酶负载量、酶催化反应pH和温度等与酶活力之间的关系,获得酶催化反应的最优条件,即酶负载量为0.44 mg/mg载体,酶催化反应最适温度为50 ~oC,最适pH为3。酶催化性能测试结果表明,漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体仿生杂化材料的酶催化活力显著增强,比游离漆酶提高近10倍,是目前已报道固定化漆酶比活力增强最显著的材料;利用漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体仿生杂化材料催化氧化丁香醛连氮反应的研究表明,该杂化材料在循环使用10次后,仍能保留初始酶活力的72.5%;在储存60天后,其催化活性仅损失12.7%。经重复使用和长期存储后,该仿生杂化材料仍保持纳米线有序堆积的八面体形貌和高孔隙率微纳米结构,说明杂化材料具有优良的酶催化稳定性和存储稳定性。3.漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体的酶催化活力增强的机制研究:漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体杂化材料之所以具有显著增强的酶催化活力,主要受益于铜离子激活效应和氧化亚铜纳米线介观晶体的结构特点。在溶液环境中,介观晶体的纳米线表面时刻进行着溶解-重结晶动态平衡。在介观晶体微环境中,存在适当浓度的Cu~+和Cu~(2+)离子,Cu~+离子可以嵌入了漆酶的催化活性中心,Cu~(2+)离子有利于增强酶催化氧化反应中电子传递,Cu~+和Cu~(2+)离子协同增强固定化漆酶活力。在杂化材料中,氧化亚铜纳米线通过有序组装形成四通八达的介孔/大孔结构,将介观晶体内部与外部有效贯通起来,极大地降低了反应溶液中物质传递阻力限制,并在一定程度上降低产物抑制作用,从而实现高效的漆酶催化反应。4.漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体杂化材料催化降解氯酚类有害物质的研究:实际应用性能评价中,漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体杂化材料可高效催化降解2,4-二氯苯酚、苯酚、间甲酚和肾上腺素这四种有害污染物,分别是游离漆酶降解效率的4.34倍、2.09倍、2.50倍和2.16倍。在自制的连续流微反应器中,漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体杂化材料降解废水中2,4-二氯苯酚,首次降解效率高达99.17%,重复使用10次,降解率仍然可以达到74.82%;原位重新进行漆酶固定化,所得新杂化材料继续酶催化降解2,4-二氯苯酚,降解率又可以恢复至96.32%。由此可见,在连续流微反应器中,漆酶-氧化亚铜纳米线介观晶体杂化材料表现出巨大的工业实际应用潜力。
【图文】：

结晶过程,离子,非经典,介观

西北大学博士学位论文离子或者分子，这些最小单元按照特定规律在空间三维方向上定向排面附着生长最终形成晶体，这个过程中发生了晶体成核和生长。晶体重复定向排列形成的，晶体的宏观形貌与它的晶胞结构直接相关（如长达到平衡时，晶体暴露面的全部表面积和与之对应的表面能最小值貌。高表面能的晶面生长速率较快，最终在晶体表面消失；反之，低长较慢，保留在最终的晶体形貌中。然而，仅仅利用热力学理论往往体的最终形貌，此时还应该考虑动力学因素对晶体形貌的影响。在结晶因素主要控制成核、生长以及晶相转变的活化能能垒调控上[7]。一些离子和有机助剂可以吸附在特定晶面，降低该晶面的表面能，从而速率，最终改变晶体的形貌。

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第一章绪论聚合物和氧化石墨烯的作用下聚集成微米尺度的胶体球；胶体球再经过晶化介观尺度结构变形，最终形成具有完美八面体形貌的氧化亚铜纳米线介观晶 1-2)。在氧化亚铜纳米线介观晶体中，高各向异性的纳米线相互贯穿定向组了介观晶体内部有序的孔道结构。由于高孔隙率、大比表面积和增强的电子性，氧化亚铜纳米线介观晶体可以用于室温下快速检测二氧化氮气体，检测至 64 ppb，这项研究工作已经引起广泛关注(如图 1-2)。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;O643.3

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