Fe-N-C類材料納米仿氧化酶的制備及催化性能研究

Fe-N-C類材料納米仿氧化酶的制備及催化性能研究納米酶具有許多超越天然酶的優(yōu)勢,有著重要的研究價值和廣闊的應用前景,成為近年來催化領域備受關注的研究方向。納米仿氧化酶是一類非常重要的納米酶。然而,目前僅有以Pt為主的貴金屬材料和少數(shù)其他材料被用于納米仿氧化酶的制備。當前,非Pt類材料用于納米仿氧化酶制備的研究已成為研究熱點之一。另一方面,Fe-N-C類材料是近年來研究發(fā)現(xiàn)的一類具有出色的氧還原反應(ORR)催化性能的Pt替代材料。在本工作中,我們調研了納米酶這一前沿學科的研究進展,深入思考了納米仿氧化酶的關鍵科學問題,發(fā)現(xiàn)納米仿氧化酶與ORR催化劑之間可能存在的內在聯(lián)系,在此基礎上,圍繞Fe-N-C類納米材料的仿酶性能及應用展開研究,并提出了發(fā)展非Pt類納米仿氧化酶材料的一般性策略,取得了如下創(chuàng)新性研究成果:(1)多孔Fe-N-C類納米顆粒簇的仿氧化酶研究我們將普魯士藍前體在600℃進行隔氧熱處理后,得到一種Fe-N-C類納米顆粒簇。經測試,該材料具有優(yōu)異的納米仿氧化酶性能,能夠在酸性溶液中有效地催化3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)氧化,同時具備納米仿過氧化氫酶的功能。進而,我們使用Fe-N-C類納米仿氧化酶制備了一種膜式納米酶反應器,并對其催化能力進行了測試,發(fā)現(xiàn)其具有較好的應用潛力。(2)雙電解池用于納米仿氧化酶的模擬和研究我們在分析天然氧化酶催化機制的基礎上,設計了一種使用鹽橋連接的雙電解池裝置,實現(xiàn)了催化底物氧化的位點和催化氧氣還原的位點的空間分離,發(fā)展了一種研究仿氧化酶材料催化性能的新型裝置。研究發(fā)現(xiàn),TMB氧化對催化材料表面位點不敏感,進而提出了以TMB為底物的納米仿氧化酶材料只需要表面存在氧還原位點即可實現(xiàn)仿氧化酶性能的重要結論。這一結論指出氧還原催化劑材料和導電材料結合就有望制備出納米仿氧化酶。(3)Fe-N-C@SiO2納米復合材料的仿氧化酶研究我們將沸石結構的Fe-N-C類材料包覆在介孔SiO2納米球表面,形成厚度約10nm的Fe-N-C層,制備了一種Fe-N-C@SiO2結構的納米酶。測試結果表明該納米酶在酸性和堿性環(huán)境中都具有優(yōu)異的仿氧化酶性能,實現(xiàn)了納米仿氧化酶材料在常用載體上的復合,這有助于促進其在實際體系中的應用。(4)Fe-N-C類納米仿氧化酶用于多巴胺的選擇性電化學檢測我們按照工作(1)中的方法,將熱處理溫度降至550℃,得到了一種活性位點含量更高的Fe-N-C類納米仿氧化酶,并將其修飾在玻碳電極表面,發(fā)現(xiàn)該修飾電極在使用線性掃描伏安法(LSV)和差分脈沖伏安法(DPV)時均能夠有效地降低尿酸(UA)和抗壞血酸(AA)的電化學氧化響應,而不影響多巴胺(DA)的電化學氧化反應,并能夠將三者的氧化峰有效分開,從而可以實現(xiàn)對DA的選擇性電化學分析。在含有較高濃度的UA(100μM)和AA(100μM)的DA混合溶液中使用LSV檢測DA,分段的濃度線性范圍可以分別達到5～10