劉清, 劉奇, 潘琦, 李國印, 王睿猛, 宋明新, 李俊儀, 周利琴, 趙禎霞, 趙鐘興*

(1.廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 廣西 南寧 530004;2.廣西高校低碳綠色化工新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室, 廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著全球工業(yè)化的不斷發(fā)展,化石燃料的過度消耗使得大氣中CO2排放量大幅增加,溫室效應(yīng)不斷加劇導(dǎo)致頻繁發(fā)生自然災(zāi)害,并引發(fā)一系列社會和生態(tài)問題[1]。CO2的環(huán)境處理過程主要由CO2的捕獲、儲存和利用等3個部分組成,提高CO2利用效率一直備受科研工作者的關(guān)注[2]。在各種CO2捕獲再利用方法中,生物利用法因能耗低和使用條件溫和等原因而被廣泛研究,這其中碳酸酐酶催化CO2轉(zhuǎn)化是研究的熱點(diǎn)。碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)是目前已報道具有最高CO2催化轉(zhuǎn)化活性的生物酶,其能催化CO2與水合成碳酸氫根和質(zhì)子,從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境中CO2的捕獲[3]。

碳酸酐酶作為生物酶受限于pH值敏感性高、熱和化學(xué)穩(wěn)定性低、價格高昂和難以回收等問題而使其工業(yè)應(yīng)用困難,為此,很多研究者嘗試基于碳酸酐酶活性中心結(jié)構(gòu)合成仿生碳酸酐酶納米酶,利用納米材料本身的高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、利于回收和價格較低廉的優(yōu)勢開展CO2催化轉(zhuǎn)化利用研究。例如,Jin等[4]基于碳酸酐酶活性中心Zn與組氨酸的配位結(jié)構(gòu),合成了一種新型碳酸酐酶金屬有機(jī)框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)(Zn)納米酶,該材料具有良好的酯酶催化性能,對CO2的速率達(dá)2.14 μmol/min。Liang等[5]同樣也基于碳酸酐酶活性中心結(jié)構(gòu),合成了一種由Zn三唑配位聚合物構(gòu)成的碳酸酐酶納米酶,也實(shí)現(xiàn)了對CO2的高效催化轉(zhuǎn)化,其速率達(dá)到4.43 μmol/min。雖然目前的研究通過對碳酸酐酶的仿生實(shí)現(xiàn)了對CO2的高效轉(zhuǎn)化,但是目前合成的碳酸酐酶納米酶與天然碳酸酐酶相比其催化反應(yīng)速率依然較低,而且關(guān)于合成后HCO3-的利用也沒有深入研究。如何提升碳酸酐酶納米酶的催化活性并進(jìn)行深加工應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)對CO2的高效礦化再利用是目前該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。

本文中以具有類碳酸酐酶活性中心結(jié)構(gòu)的典型MOFs(Zn)材料ZIF-8為研究對象,將碳酸酐酶中常見的氨基酸天冬門氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)原位植入ZIF-8骨架中,合成具有高催化活性的碳酸酐酶仿生納米酶,并設(shè)計以碳酸酐酶納米酶為核心的CO2連續(xù)礦化裝置,實(shí)現(xiàn)了CO2的有效連續(xù)礦化。該工作為開展碳酸酐酶仿生納米酶連續(xù)高效分離礦化CO2的工業(yè)化應(yīng)用提供有效的理論數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗

1.1 試劑及儀器

試劑:六水合硝酸鋅、2-甲基咪唑(美國 Sigma-Aldrich 公司);L-天門冬氨酸、L- 谷氨酸、氯化鈣、4-羥乙基哌嗪乙磺酸(上海阿拉丁試劑有限公司);三乙胺(上海薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司);無水甲醇、無水乙醇(廣東光華科技有限公司);氫氧化鈉、N,N-二甲基甲酰胺、乙腈(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);乙酸對硝基苯酯(上海麥克林生化有限公司);高純氮?dú)?、二氧化?純度為99.999%,廣西空分氣體有限公司),石英砂(粒徑為0.5～1 mm,廣西中硅新型材料有限公司),試劑均為分析純。

儀器:臺式高速離心機(jī)(TG16G型,湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司);pH計(PHS-3E型,上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司);掃描電子顯微鏡(Hitachi SU8220型,日本日立公司);X射線衍射儀(SMARTLAB3KW型,日本理學(xué)公司);核磁共振儀(Bruker ARX-400 NMR型,德國布魯克技術(shù)有限公司);比表面積和孔徑分析儀(ASAP2450型,美國麥克有限公司);紫外可見分光光度儀(TU-1901型,北京普析通用儀器有限公司);熱重分析儀(TGA/DSC 3+型,瑞士梅特勒-托利多公司)。

1.2 材料的合成

1.2.1 ZIF-8的制備

稱取1.504 g (5 mmol) Zn(NO3)2·6H2O和3.284 g (40 mmol) 2-甲基咪唑分別溶于70.8 mL甲醇中,然后將Zn(NO3)2·6H2O的甲醇溶液滴入2-甲基咪唑的甲醇溶液中。在30 ℃下反應(yīng)24 h,得到白色乳濁液。將白色乳濁液以轉(zhuǎn)速為7 000 r/min離心分離8 min,用甲醇洗3次,120 ℃下真空干燥12 h,得到白色粉末即為ZIF-8。

1.2.2 氨基酸修飾ZIF-8材料的制備

稱取0.744 g (2.5 mmol) Zn(NO3)2·6H2O溶于50 mL超純水中,再分別稱取 20 mmol的天門冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)于50 mL超純水中,加入三乙胺5.56 mL (40 mmol)使其溶解,然后加入1.641 g (20 mmol) 2-甲基咪唑。稱取2份0.744 g (2.5 mmol) Zn(NO3)2·6H2O分別溶于50 mL超純水中,將Zn(NO3)2·6H2O溶液滴入氨基酸和2-甲基咪唑的混合溶液中。在30 ℃下反應(yīng)24 h,得到白色乳濁液。將白色乳濁液以傳速為7 000 r/min離心分離8 min,用甲醇洗3次,120 ℃下真空干燥12 h,得到白色粉末分別記為ZIF-Asp和ZIF-Glu。

1.3 材料酶活檢測

碳酸酐酶的活性通過酯酶法進(jìn)行測定[6]。該方法以p-NPA為底物,利用仿生碳酸酐酶材料的酯酶活性催化p-NPA,p-NPA 在其催化作用下變成對硝基苯酚(p-NP)。p-NPA水解反應(yīng)方程式為

因為p-NP在波長402 nm 處有1個特征吸收峰,因此反應(yīng)特定時間后,以不加材料的溶液作為空白對照組,用紫外分光光度計測定溶液在402 nm處吸光度值隨時間的變化,以此計算p-NP的濃度隨時間的變化,進(jìn)而推算材料的催化活性。具體步驟:量取26.7 mL緩沖溶液(濃度為0.1 mol/L, pH=8.5 HEPES Buffer溶液),加入3 mL的ZIFs溶液(濃度為0.7 mmol/L,溶劑為DMF)和0.3 mL的p-NPA溶液(濃度為50 mmol/L,溶劑為乙腈),測定室溫下反應(yīng)時間分別為1、3、5、10、15、20、25、30 min時,反應(yīng)體系在402 nm處的吸光度值,再利用p-NPA的吸光度—濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線(濃度為0.434 8～10.345 2 μmol/L)計算對應(yīng)的濃度,計算公式為

yt=115.923 1xt-0.797 6,R2=0.999 8,

(1)

式中:yt為t時刻p-NP的濃度,μmol/L;xt為t時刻p-NP的吸光度值。

1.4 CO2的礦化

依次將合成的碳酸酐酶納米酶ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu按照質(zhì)量比為1∶10與石英砂混合裝填成柱[尺寸為18 mm×200 mm(內(nèi)徑×長度)]制備CO2連續(xù)礦化裝置(圖1)。

1-CO2氣瓶;2-緩沖溶液瓶;4-預(yù)混合瓶;3、6、9、12-蠕動泵;5-細(xì)化器;7-催化柱;8-CaCl2溶液瓶;10-反應(yīng)瓶;11-磁力攪拌器;13-收集瓶;14-氣體流量計;15～23-節(jié)流閥;24-泄壓閥。

在裝置開啟前,先利用CO2氣瓶1輸送CO2進(jìn)入裝置內(nèi)通氣30 min,排除空氣后關(guān)閉進(jìn)氣閥,然后通過蠕動泵3將緩沖溶液瓶2中的HEPES緩沖液(pH=8.5,濃度為0.1 mol/L)輸送至預(yù)混合瓶4中加至2/3處。之后正式開始實(shí)驗,CO2氣瓶1以體積流量90 mL/min的速率輸送CO2至預(yù)混合瓶4中與緩沖液進(jìn)行預(yù)混合,同時利用蠕動泵3為預(yù)混合瓶4進(jìn)料,蠕動泵6將氣液混合物輸送進(jìn)入催化柱7(碳酸酐酶石英砂按照質(zhì)量比為1∶10混合裝料)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。反應(yīng)后的氣液混合物流入反應(yīng)瓶10,與蠕動泵9輸送來的CaCl2溶液瓶8中濃度為0.4 mol/L的CaCl2溶液混合,并在磁力攪拌器11的作用下進(jìn)行攪拌混合反應(yīng),反應(yīng)瓶10中混有生成的碳酸鈣晶體顆粒的溶液通過蠕動泵12輸送到收集瓶13,反應(yīng)1 h后停止。收集液布氏漏斗過濾、乙醇洗滌后干燥稱重,對濾液進(jìn)行后處理,向濾液中加入濃度為0.5 mol/L的NaOH溶液進(jìn)行中和,使其pH維持在8.5左右,所得的緩沖溶液再進(jìn)入體系中進(jìn)行循環(huán)利用。 通過計算CO2通入反應(yīng)體系的質(zhì)量與生成產(chǎn)物的質(zhì)量之比,可以得到反應(yīng)體系中CO2的轉(zhuǎn)化率,即

(2)

式中:η為CO2的轉(zhuǎn)化率,%;P為實(shí)驗環(huán)境大氣壓,Pa;Q為CO2的體積流量,m3/h;M為CO2的相對分子質(zhì)量,g/mol;R為摩爾氣體常量,R=8.314 J/(mol·K);T為實(shí)驗環(huán)境溫度,K;m為所得產(chǎn)品的質(zhì)量,g。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

2.1.1 掃描電鏡(SEM)

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的SEM圖像如圖2所示。由圖2(a)可知,ZIF-8表面光滑,大小均勻,呈現(xiàn)規(guī)則且均勻的十二面體結(jié)構(gòu),晶粒尺寸大小為50 nm左右。由圖2(b)、(c)可知,經(jīng)過Asp、Glu修飾后,ZIF-8晶體形貌較為不規(guī)整且晶粒尺寸明顯增大,說明不同種類氨基酸的摻雜在不同程度上影響ZIF-8的成核速率,從而進(jìn)一步影響ZIF-8晶體的生長[7]。

(a) ZIF-8

2.1.2 X射線衍射(XRD)

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的XRD譜圖如圖3所示。由圖3可知,在2θ分別為7.5°、10.5°、12.9°、14.8°、16.6°、18.2°時分別對應(yīng)ZIF-8的(011)、(002)、(112)、(002)、(013)、(222)晶面,證明了ZIF-8的成功合成[8]。經(jīng)過氨基酸修飾后的ZIF-Asp、ZIF-Glu與ZIF-8具有相同的衍射圖譜,說明經(jīng)過氨基酸修飾后ZIF-Asp、ZIF-Glu依然保持原有ZIF-8的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和近似的單元參數(shù)[9],但ZIF-Asp、ZIF-Glu的(011)晶面的衍射峰強(qiáng)度明顯降低,說明Asp、Glu的摻雜抑制ZIF-8晶體(011)晶面的生長,導(dǎo)致結(jié)晶度下降。

2.1.3 N2等溫吸附-脫附分析

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的N2吸附-脫附等溫曲線如圖4所示。由圖4可見,ZIF-8的N2吸附等溫線在相對壓力p/p0<0.01范圍內(nèi)吸附量隨著壓力的增大迅速增大,無滯后現(xiàn)象,且隨著相對壓力的不斷增大,吸附量曲線呈現(xiàn)水平狀,符合Ⅰ型等溫線特征,表明ZIF-8均為典型的微孔結(jié)構(gòu)材料[10]。經(jīng)氨基酸修飾后,ZIF-Asp、ZIF-Glu的吸附等溫線不僅在相對壓力p/p0<0.01范圍內(nèi)吸附量急劇上升,且在相對壓力p/p0為0.01～0.20范圍內(nèi)吸附量具有平緩上升趨勢,表明經(jīng)氨基酸修飾后樣品中產(chǎn)生介孔結(jié)構(gòu)。

圖4 ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的N2吸附-脫附等溫曲線Fig.4 N2 adsorption-desorption curves of ZIF-8, ZIF-Asp, ZIF-Glu

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。從表1可見,ZIF-8的比表面積為1 420 m2/g且以微孔為主,而ZIF-Asp、ZIF-Glu的比表面積顯著減小,分別為765、662 m2/g,并且2個樣品的介孔比表面積和介孔體積明顯增大,與圖4的N2吸附-脫附等溫曲線結(jié)論一致。導(dǎo)致ZIF-Asp、ZIF-Glu存在缺陷孔的原因可能是Asp、Glu上的羧基無法與Zn2+產(chǎn)生強(qiáng)配位作用,從而導(dǎo)致骨架中存在部分單臂配位而產(chǎn)生缺陷介孔[11],這些暴露出的介孔將會強(qiáng)化納米酶所形成缺陷Zn簇的催化活性[12],而且還有利于CO2在納米酶中的擴(kuò)散[13]。

表1 不同樣品的比表面積和孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Surface area and pore textural parameters of different samples

2.1.4 核磁共振波譜(1H-NMR)

為了進(jìn)一步證實(shí)氨基酸對ZIF-8的修飾作用,對所有材料進(jìn)行1H-NMR光譜分析。ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的1H-NMR譜圖如圖5所示。從圖5可見,化學(xué)位移δ(11.6)歸屬于溶劑峰CF3COOD,化學(xué)位移δ(2.8、7.4)的共振峰分別歸屬于2-甲基咪唑的甲基和次甲基。在ZIF-Asp的1H-NMR譜圖中化學(xué)位移δ(4.9、3.8)處出現(xiàn)了Asp的α-H和β-H的共振峰,化學(xué)位移δ(8.8)的共振峰歸屬于Asp中的氨基。在ZIF-Glu的1H-NMR譜圖中化學(xué)位移δ(5.0、3.6、3.4)處分別出現(xiàn)了Glu的α-H、β-H和γ-H的共振峰,化學(xué)位移δ(8.7)的共振峰歸屬于Glu中的氨基,以上結(jié)果說明Asp和Glu被成功植入ZIF-Asp、ZIF-Glu骨架中。

2.1.5 熱重分析

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的熱重分析(thermo gravimetric analyzer, TGA)曲線如圖6所示。從圖6可見,ZIF-8的失質(zhì)量分為2個階段:第1階段為180～420 ℃,失質(zhì)量原因是ZIF-8在制備過程中吸附的水分或其他客體分子分解[14],失質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.7%;第2階段為420～800 ℃,主要是有機(jī)配體發(fā)生分解,造成ZIF-8骨架結(jié)構(gòu)坍塌[15]。ZIF-Asp、ZIF-Glu的失質(zhì)量曲線與ZIF-8相似,但ZIF-Asp、ZIF-Glu具有更高的熱穩(wěn)定性溫度(425、443 ℃),說明氨基酸修飾的材料也具有較高的熱穩(wěn)定性。而ZIF-Asp、ZIF-Glu的第1階段失質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯大于ZIF-8(16.3%和17.5%),可能是Asp、Glu的摻雜使ZIF-8暴露了更多的缺陷位,從而更利于水的吸附所致[11]。這些結(jié)果進(jìn)一步驗證Asp、Glu的修飾沒有改變ZIF-8的骨架結(jié)構(gòu),并且結(jié)合水含量結(jié)果說明極性增加,更有利于CO2的吸附。

圖6 ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的TGA曲線Fig.6 TGA curves of ZIF-8, ZIF-Asp, ZIF-Glu

2.2 碳酸酐酶仿生酶催化礦化性能測定

2.2.1 碳酸酐酶仿生酶催化活性測定

碳酸酐酶仿生酶催化活性測定結(jié)果如圖7所示。

(a) 催化動力學(xué)曲線

采用酯酶法對ZIF-8、ZIF-Asp和ZIF-Glu的酶活性能進(jìn)行測定,結(jié)果如圖7(a)所示?；谑?1)計算不同納米酶催化p-NPA水解為p-NP過程中,體系中p-NP的濃度隨時間的變化,通過擬合取反應(yīng)30 min內(nèi)催化動力學(xué)曲線得到不同納米酶的催化初速率,結(jié)果如圖7(b)所示。從圖7(b)中可見,ZIF-Asp、ZIF-Glu在30 min內(nèi)的催化速率分別達(dá)到1.69、1.55 μmol/min,是ZIF-8催化活性的1.38、1.27倍,而沒有加入納米酶時p-NP的產(chǎn)率極低。隨后,進(jìn)一步考察ZIF-Asp的循環(huán)穩(wěn)定性,將ZIF-Asp反應(yīng)2 h后再收集循環(huán)測試3次,結(jié)果如圖7(c)所示。從圖7(c)可見,ZIF-Asp經(jīng)過3次循環(huán)催化后,p-NPA的水解轉(zhuǎn)化率僅下降了2.7%,并且將3次循環(huán)后的ZIF-Asp進(jìn)行XRD分析,并與反應(yīng)前ZIF-Asp的XRD圖譜進(jìn)行比較[圖7(d)],發(fā)現(xiàn)2條譜線之間沒有明顯區(qū)別,說明ZIF-Asp不僅具有較高的催化活性,還具有穩(wěn)定的循環(huán)催化性能。 本文將ZIF-Asp、ZIF-Glu的催化活性與目前已報道的碳酸酐酶仿生酶催化活性數(shù)據(jù)相比較(表2),發(fā)現(xiàn)本文中合成的ZIF-Asp、ZIF-Glu具有較高的碳酸酐酶催化活性,說明基于碳酸酐酶活性中心常見氨基酸構(gòu)建納米酶,能有效提高碳酸酐酶納米酶的酶活性。

表2 不同文獻(xiàn)報道碳酸酐酶仿生酶催化活性對比Tab.2 Comparison of biomimetic enzyme catalytic activity of carbonic anhydrase reported in different literature

2.2.2 碳酸酐酶仿生酶連續(xù)礦化性能測定

碳酸酐酶仿生酶連續(xù)礦化性能測定如圖9所示。

將碳酸酐酶納米酶應(yīng)用到CO2連續(xù)化轉(zhuǎn)化具有實(shí)際工業(yè)意義,基于此設(shè)計連續(xù)固定床CO2轉(zhuǎn)化裝置,將ZIF-Asp、ZIF-8分別與石英砂混合裝填成柱,與CO2充分反應(yīng)1 h后收集獲得的水合礦化產(chǎn)物并稱重,結(jié)果如圖8(a)所示。從圖8(a)可見,ZIF-Asp催化CO2的水合礦化產(chǎn)物質(zhì)量達(dá)到1 171 mg,分別是ZIF-8和沒有納米酶催化劑的1.41、4.63倍,該結(jié)果與圖7(b)的納米酶的催化性能結(jié)果基本一致,并且ZIF-Asp對CO2的轉(zhuǎn)化率達(dá)到72.3%,分別是原始ZIF-8和沒有納米酶催化劑的1.41、4.63倍,說明所合成碳酸酐酶納米酶具有較好的CO2利用效率。為了確定CO2的礦化產(chǎn)物的類型,對其進(jìn)行XRD檢測結(jié)果如圖8(b)所示。從圖8中可以看出,產(chǎn)物具有方解石碳酸鈣晶體的特征衍射峰:23(012)、29(104)、36(110)、39(113)、43(202)、47.5(018)、48.5(116),與標(biāo)準(zhǔn)的方解石結(jié)構(gòu)碳酸鈣XRD譜圖相符合[17],對其進(jìn)行SEM表征[圖8(c)、(d)],也可以看出,產(chǎn)物為立方體結(jié)構(gòu),粒徑約為5 μm,因此判斷該產(chǎn)物為方解石結(jié)構(gòu)的碳酸鈣[18]。微米尺度的碳酸鈣在在食品、橡膠、造紙、醫(yī)藥等等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用[19-20],特別是人工合成的碳酸鈣可進(jìn)行各種功能改性,能顯著提升其產(chǎn)品附加值,因此利用碳酸酐酶納米酶將CO2礦化生成碳酸鈣具有廣闊的應(yīng)用前景。

(a) 礦化固定CO2的產(chǎn)物產(chǎn)量對比

3 結(jié)論

本文中基于用氨基酸仿生策略將碳酸酐酶活性中心中常見氨基酸Asp、Glu植入到ZIF-8骨架中,成功合成仿生碳酸酐酶材料ZIF-Asp、ZIF-Glu,并設(shè)計CO2礦化裝置實(shí)現(xiàn)了CO2的連續(xù)化制備。通過實(shí)驗室研究發(fā)現(xiàn),ZIF-Asp、ZIF-Glu具有較高的碳酸酐酶活性,且循環(huán)穩(wěn)定性較好,其酶活是ZIF-8的1.38、1.27倍,與目前已報道最好碳酸酐酶納米酶活性接近。隨后對ZIF-Asp、ZIF-8進(jìn)行連續(xù)礦化實(shí)驗也證明,ZIF-Asp能有效礦化CO2,反應(yīng)1 h能生成1 171 mg的微米尺度碳酸鈣并實(shí)現(xiàn)72.3%的CO2轉(zhuǎn)化率。本文中制備了仿生碳酸酐酶納米酶,并且設(shè)計的小試裝置為其工業(yè)化應(yīng)用提供了理論數(shù)據(jù),對CO2轉(zhuǎn)化為高附加值工業(yè)化學(xué)品的設(shè)計和合成提供借鑒。