CN101512003A - 用于光催化制氢的复合纳米材料及其使用方法 - Google Patents

用于光催化制氢的复合纳米材料及其使用方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101512003A
CN101512003A CNA2006800215914A CN200680021591A CN101512003A CN 101512003 A CN101512003 A CN 101512003A CN A2006800215914 A CNA2006800215914 A CN A2006800215914A CN 200680021591 A CN200680021591 A CN 200680021591A CN 101512003 A CN101512003 A CN 101512003A
Authority
CN
China
Prior art keywords
matrix material
hydrogenase
protein
gel
photocatalyst
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CNA2006800215914A
Other languages
English (en)
Inventor
J·W·彼得斯
M·J·扬
T·道格拉斯
T·E·埃尔格伦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MOMDANA CONTINENT UNIV
Original Assignee
MOMDANA CONTINENT UNIV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MOMDANA CONTINENT UNIV filed Critical MOMDANA CONTINENT UNIV
Publication of CN101512003A publication Critical patent/CN101512003A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N11/00—Carrier-bound or immobilised enzymes; Carrier-bound or immobilised microbial cells; Preparation thereof
    • C12N11/14—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an inorganic carrier
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00—Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/0004—Oxidoreductases (1.)
    • C12N9/0067—Oxidoreductases (1.) acting on hydrogen as donor (1.12)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00—Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

本发明公开了用于光催化制H2的复合材料，其包含：1)聚合物凝胶；2)光催化剂；和3)基于蛋白质的H2催化剂。本发明还涉及制氢方法，其包含使电子给体与包含1)聚合物凝胶，2)光催化剂，和3)基于蛋白质的H2催化剂的复合材料发生反应。

Description

用于光催化制氢的复合纳米材料及其使用方法
相关申请交叉引用
依照35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2005年5月16日提交的美国临时专利申请No.60/681,174的优先权，在此将其全文引入用于各种目的。
关于受联邦政府资助的研究或开发的声明
此处公开的发明部分地受到美国国家科学基金会(NationalScience Foundation)(授予号为MCB-0328341)和美国海军研究局(Office of Naval Research)(授予号为19-00-R0006)的资助。
技术领域
本发明涉及含有氢化酶和制氢纳米颗粒的复合材料，所述制氢纳米颗粒具有用于由可再生原料制氢的光催化剂。
背景技术
近来，人们对生产氢气作为替代能源产生了极大的兴趣。氢燃料电池技术的普及使用有赖于使用高效，经济上可行，并且环境友好的方式生产大量氢气(Armor et al.2005；Speigel et al.2004；Tseng et al.2005；Winter et al.2005)。用于获取能源而生产的大部分氢来自于甲烷或化石燃料的重组过程，因此，基于这些过程的氢能经济并不能减少对不可再生的化石燃料的依赖性。因此，开发能够由可再生资源(如给料(feedstocks))高效制氢，并且不产生温室气体或其它环境污染物的化学反应的催化剂显得至关重要。
氢化酶是非常先进的催化剂，其产生氢气的速率令合成化学家艳羡。很多微生物都能产生含金属的氢化酶(H2ases)(Vigais et al.2001；Peters et al.1998，1999；Adams et al.1990)，氢化酶在氢气的氧化或者在质子的还原过程中按照下式发生作用：
Figure A200680021591D00071
氢气的氧化与还原当量的产生结合在一起，推动能量产生或生物合成过程。在厌氧发酵过程中，一些微生物能够将糖氧化所需电子载体的氧化和再生与质子还原和氢气的产生结合在一起。大部分含金属的氢化酶上的催化位都由具有一氧化碳和氰化物与Fe的双原子配体的Fe-Fe或混合金属NiFe位组成。氢化酶是唯一已知的能将这些通常有毒的化合物作为活性态的酶的必要部分利用的酶。和一般的酶一样，氢化酶也被组装以显示精确的组织基序(organizational motifs)，利用它们的蛋白结构来定位，并在化学上保持一个活性位，而在该活性位中底物的进入和产物的转移通道是关键的“设计”特征。底物、还原剂和产物必须能够进出催化位。此外，催化剂的连续循环需要不断地加入反应物和转移产物。氢化酶的催化位由独特的具有一氧化碳和氰化物配体的生物金属簇(Fe或者NiFe)组成(Peters et al.1998；Happe etal.1997；Nicolet et al.2000；Pierik et al.1998；Volbeda et al.1995)。
生物制氢可能会在新兴的氢经济中扮演关键角色(Varfolomeyevet al.2004；Wunschiers et al.2002；Chum et al.2001)。人们对将酶催化剂用于各种用途的材料中表现出越来越大的兴趣。在应用中利用酶，有几个典型问题需要解决。底物、还原剂和产物必须能够进出催化位。此外，催化剂的连续循环需要不断加入反应物并且转移产物。虽然从这些酶中已发现高达9000单位H2每单位酶每秒的速率(Adams et al.1990；Cammack et al.1999)，但这些酶对氧气极度的敏感性，受限的表达(limited expression)和难以分离使其难以成为制氢的实用方法。
目前尚缺乏对使用氢化酶进行商业规模制氢的方法和系统的研究。美国专利No.6,858,718公开了一种氢化酶的基因编码，以及使用该基因产品进行分子氢的微生物生产的方法。更具体地说，该发明公开了孤立的核酸序列对稳定的氢化酶(HydA)进行编码，所述稳定的氢化酶(HydA)能够催化质子的还原而形成分子氢。
美国专利No.4,532,210公开了在藻类培养基(algal culture)中使用交替的明暗周期来进行生物制氢。该方法包括下述步骤的交替：在有氧条件下，在光照存在下，在水中培养藻类，以在藻类中积累光合产物(淀粉)的步骤；在微氧条件下，在黑暗中，在水中培养藻类，分解光合反应积累的产物来制氢。该方法采用了氮气吹扫技术来除去培养物(culture)中的氧气。
美国专利No.4,442,211披露，通过对水相中的藻类进行光照产生氢气这一过程的效率可以通过下述方法得到提高：在有氧气氛下，在培养基中进行光照的第一个阶段中，对已漂白的藻类进行培养，直到其重新获得颜色，然后再将其置于光照的第二个阶段中，此时，氢的产生速率提高。该专利使用了一个反应器，其中的光照环境基本不存在CO2和大气O2，该环境的维持通过向反应器中通入惰性气体(如氦)以排除所有含水介质中的水分子分裂产生的氢气和氧气来得以实现。尽管使用惰性气体连续清除产生氢气的培养器使得氢气能够持续产生，但这样的清除过程价格昂贵，并且对于大规模的藻类培养物而言不切实际。
因此，本发明通过整合互不相关的酶法制氢、光催化纳米材料和电致变色/光致变色聚合物凝胶技术的知识，满足了长期以来对于商业规模制氢的需求。
发明概述
本发明涉及由可再生原料(如简单给料(feedstocks))制造氢气的复合材料和方法。一方面，本发明涉及用于光催化制H2的复合材料，其包含：1)聚合物凝胶、2)光催化剂和3)基于蛋白质的H2催化剂。所述H2催化剂可以是酶，比如氢化酶，它可以从多种生物体中获得，比如微生物，包括但不限于巴氏固氮梭状芽孢杆菌(Clostridiumpasteurianum)、Laprobacter modestogelophilus、桃红荚硫菌(thiocapsareseopericina)或它们的组合。所述复合材料还可以包含氧化还原介质(如聚紫罗碱)，以及除氧剂(如Cu(O))。所述光催化剂可以被制成纳米颗粒，可被封装在蛋白质笼结构中。
所述H2催化剂也可以是人造酶，如包含壳和核的蛋白质笼的氢化酶模拟制品。蛋白质笼的壳可以包含24亚基蛋白(24subunitprotein)，如小热休克蛋白(HSp)。蛋白质笼的核可以包含选自铂、镍、铁和钴的金属。
本发明还涉及使用本发明的复合材料制氢的方法。例如，本发明提供了下述制氢方法，其包含使电子给体与含有1)聚合物凝胶、2)光催化剂和3)基于蛋白质的H2催化剂的复合材料进行反应。所述电子给体可由多种来源获得，例如但并不限于乙酸、柠檬酸、酒石酸、乙醇、EDTA、羟胺及其混合物。所述电子给体还可以是亚硫酸盐、硫代硫酸盐和连二亚硫酸盐。
附图说明
为了更全面地理解本发明，并进一步体现其优点，可以参见以下附图：
图1是制氢装置中使用的复合材料的图。
图2显示了氢化酶巴氏固氮梭状芽孢杆菌(CpI)和L.modestogalophilus(Lm)在溶液中和封装于溶胶-凝胶中时的制氢活性：◆表示溶液中的CpI；·表示溶胶-凝胶中的CpI；▲表示溶液中的Lm；■表示溶胶-凝胶中的Lm。
图3显示了氢化酶巴氏固氮梭状芽孢杆菌(CpI)和L.modestogalophilus(Lm)在溶液中和封装于溶胶-凝胶中时的制氢活性对温度的依赖性：◆表示溶液中的CpI；·表示溶胶-凝胶中的CpI；▲表示溶液中的Lm；■表示溶胶-凝胶中的Lm。
图4显示了在存在蛋白酶(空白)和不存在蛋白酶(阴影)的情况下，巴氏固氮梭状芽孢杆菌在溶液中和封装于溶胶-凝胶中时的制氢活性。
图5中(A)是来自詹氏甲烷球菌(Methanococcus jannaschii)(pdb：lshs)的小热休克蛋白(Hsp)笼的空间充填示意图，(B)是Hsp的剖视图，显示了笼的内部空腔。
图6是Hsp的尺寸排阻色谱图：(A)非矿化的Hsp；(B)250Pt/Hsp矿化的Hsp，显示了蛋白质(280nm)和矿物质(350nm)的共析；(C)1000Pt/Hsp矿化的Hsp，显示了蛋白质(280nm)和矿物质(350nm)的共析。
图7(A)是未染色(unstained)的Hsp 1000 Pt的TEM图像，插图显示了Hsp 1000 Pt上的Pt0的电子衍射；(B)是2％醋酸铀酰染色的Hsp1000 Pt的TEM图像；(C)是Hsp 1000 Pt中Pt颗粒直径的直方图。平均2.2(0.7nm标尺)20nm。
图8(A)是2％醋酸铀酰染色的Hsp 250 Pt的TEM图像；(B)是Hsp 250 Pt中Pt颗粒直径的直方图。标尺)20nm。
图9是Pt-Hsp光致产生H2的示意图，甲基紫罗碱(MV2+)用作光催化剂Ru(bpy)3 2+和引起H2产生的Pt-Hsp之间的电子转移介质。
图10显示了从0.2mM Ru(bpy)3 2+、0.5mM甲基紫罗碱、200mMEDTA和500mM pH5.0的醋酸盐中的Pt-Hsp制氢：▲表示1000Pt/Hsp5.1×10-10mol Pt；■表示250Pt/Hsp 8.2×10-10mol Pt。
发明详述
本申请涉及的所有出版物和专利申请均以引用方式纳入本申请，其和每个出版物和专利申请均单独明确地以引用方式纳入本申请中程度相同。
以下描述包含了有助于理解本发明的信息。但并非承认此处提供的任何信息均为现有技术或与本申请有关，或者任何明确或含蓄地引用的出版物是现有技术。
除非另有定义，此处使用的所有技术和科学术语均与本领域技术人员通常理解的意义相同。尽管任何和本申请所述相似或等同的方法和材料均可用于本发明的实施或测试，但本申请描述了优选的方法和材料。
本发明涉及酶法制H2、光催化纳米材料、以及电/光致变色聚合物凝胶技术。本发明提供的系统可以显著提高制H2效率，使用该系统可以从非常简单的给料(feedstocks)(即可见光和简单有机酸(如醋酸盐-醋))制备氢气。一方面，本发明人已证明，使用简单有机酸、可见光和光催化剂，就可以产生足够的还原当量(reducing equivalents)，来激发氢化酶的活性并产生氢气。为了优化这些结果，将氢化酶固定并封装于聚合物凝胶基体中，由此形成的酶凝胶微粒与电子给体(如连二亚硫酸盐)和电子转移介质(如甲基紫罗碱)培养产生氢气。这种方法利用了氢化酶的效率和特性，并且在聚合物形成中所施加的合成控制构造了坚固的复合材料，可以达到经济制氢的许多目标和目的。
另一方面，本发明涉及使用新型蛋白质笼或纳米颗粒作为氢化酶模拟制品，来产生氢气。包含蛋白质“壳”和“核”的纳米颗粒可以混合在一起形成完全纳米颗粒或内核混合物的新型组合物。此外，可以装填所述壳层，来形成具有任意多种不同材料的纳米颗粒，包括有机、无机和金属有机材料，及其混合物。特别优选的实施方案使用金属催化剂，如铂，以便有效地还原质子。此外，由于壳层是蛋白质的，可以通过多种方法(包括但不限于共价和非共价衍生以及重组方法)任意改变其物理或化学性质。
铂是化学反应中常用的一种金属催化剂。但众所周知，铂的成本高，供应有限。为了最大限度地利用这种催化剂，有必要探索如何最大化铂在每原子基础上的催化效率，以开发经济上可行的催化剂(Spiegel et al.2004)。在开发颗粒Pt催化剂的方法中，有必要将颗粒直径最小化，从而增大表面积(即，每个颗粒中暴露的Pt原子数)。已经有多种不同的合成方法被用于合成具有不同钝化层的铂纳米颗粒(Brugger et al.1981；Chen et al.2000；Chen et al.1999；Ekldund et al.2004；Gomez et al.2001；Jiang et al.2004；Keller et al.1980；Narayananet al.2004；Song et al.2004；Teranishi et al.2000；Tu et al.2000；Zhaoet al.2002)。所述钝化层通常会干扰暴露的Pt原子并降低效率(Brugger et al.1981)。在本发明中，发明人使用了蛋白质笼作为合成平台，与钝化层不同，所述蛋白质笼没有包裹整个纳米颗粒的表面，而是使颗粒分散于溶液中，并防止聚集。
蛋白质笼结构已被用作生物模板来建立蛋白质和金属之间的界面(Allen et al.2003；Flenniken et al.2003)。笼状结构以前被用作分子容器来封装有机和无机材料(Flenniken et al.2003；McMillan et al.2002)。蛋白质笼结构由有限数量的蛋白亚单位自组装而来，形成相当确定的、容器状的形貌，其内部和外部表面可在化学上截然不同(Douglas and Young，1998；Flenniken et al.2003)。此外，可以通过亚单位界面的孔隙控制分子进入内部(Kim et al.1998)。发明人先前已说明，蛋白质笼结构可用作纳米材料的合成中尺寸和形状受限的反应环境(Douglas and Young，1998；Usselman et al 2005；Allen et al.2002，2003；Flenniken et al.2003)。这些笼结构已被证实能够将无机纳米颗粒稳定于设定的尺寸和晶形。此外，通过基因修饰和化学改性，可以在笼结构中的精确位置构建活性中心，以创造崭新的功能(Klem et al.2005)。
本申请的发明人利用笼结构内部来进行空间选择性矿化，成功地构建了蛋白质笼结构，其能够模拟受控分子接近H2ase中展示的活性中心的通道。简单地说就是用四甲氧基硅烷(TMOS)作为起始原料，制备含有氢化酶的干凝胶和湿凝胶。将水和HCl与TMOS一起超声处理产生四羟基硅烷。加入蛋白质缓冲溶液(pH 8.0)(1:1 v:v)引发缩合，形成Si-O-Si网络。在特氟龙缸(Teflon wells)或者直接在反应瓶中将该混合物制成溶胶-凝胶微粒。用厌氧缓冲液反复漂洗凝胶，以消除未被包裹的蛋白质。所有的H2ase：溶胶-凝胶样品都在厌氧条件下制备。通过向如前所述的密封的厌氧瓶中的缓冲溶液中悬浮的凝胶中加入甲基紫罗碱和连二亚硫酸盐，来开始制氢。取样反应瓶上部的气体，通过气相色谱分析对产生的氢气作定量分析。下面进一步提供本发明的各个方面。
材料的耐久性
由巴氏固氮梭状芽孢杆菌获得的纯化的氢化酶是用于将H+还原制H2的高效催化剂。该酶的长期稳定性可通过在蛋白质的外表面附加薄聚合物涂层，或通过封装于聚电解质多层膜中，对蛋白质进行改性而显著地增强。此外，将该酶固定于三维交联的聚紫罗碱凝胶基体中可以提高电子转移效率。
材料工程
本发明通过控制纳米颗粒的组成和形貌，进而调控纳米材料的光催化性能，来优化纳米颗粒，从而实现到氢化酶系统的有效电子转移。此外，该合成控制利用了便宜并且易得的电子给体，如简单有机酸(醋酸、酒石酸、柠檬酸)。此外，发明人在制备电活性聚紫罗碱凝胶方面的专业知识使其得以将纳米颗粒光催化剂和氢化酶加入固态基体中，并通过控制两者间的化学计量和空间关系提高和优化了电子给体和活性氢化酶之间的电子转移效率。
效率
本发明通过控制光的量，并直接分析氢化酶、光催化剂、氧化还原介质和电子给体与产生H2的量的函数关系，来实现高效制H2。在这些研究中采用了与太阳光谱相似的氙弧灯作为光源。
制H 2 的速率
如前所述，制备氢气的速率可通过酶的分析直接测得。在(实施例详细描述的)复合材料配方中氧化还原对(redox partner)的质量传递最小化的条件下，来测量产生H2的速率。
氢化酶和O 2 的抑制
将氢化酶掺入电活性聚合物凝胶可以形成具有核-壳结构的材料。可在外层掺入光催化剂、氧化还原介质(紫罗碱)和由催化剂光分解产生的O 2 反应性Cu胶体。Cu通常用作除氧剂，而壳的高比表面积使之非常具有吸引力。因此，外层可以作为O2的洗涤层(scrubbinglayer)，以保护内层中的氢化酶。所述内层可以包含光催化剂、氢化酶、氧化还原介质和电子给体。这一设计方法可以大大提高氢化酶对O2的整体稳定性。
已经证实，各种酶可以固定在二氧化硅-氧化物凝胶基体(溶胶-凝胶)上并且完全保持活性。事实上，在很多情况中酶的稳定性和长期耐久性或某些酶的半衰期得到了增加。酶的封装在基础科学和生物技术领域都具有巨大的应用前景。在某些情况中，酶的固定可以延长在溶液中寿命极短的中间体的稳定性。对生物技术而言，封装可形成具有工业应用前景的耐久的异相催化剂。
已经证实可将纯的活性氢化酶封装于由四甲氧基硅烷制得的溶胶-凝胶中。本发明人证实，当把这些酶植入多孔二氧化硅聚合物凝胶中时，氢气氧化和质子还原的氢化酶整体活性都保持了较高的百分比。从巴氏固氮梭状芽孢杆菌、Larnprobacter modestogalophilus和桃红荚硫菌获得的封装后的氢化酶的活性可以固定(be immobilized)，并且其表观活性为溶液中的酶在产生氢气的反应中测量的表观活性的至少65-70％。封装的氢化酶在储存和温度升高的环境下，稳定性表现出一定的增强。由L.modestogalophilus获得的固定的NiFe氢化酶在室温下的氮气氛下保存10天后，仍保持其85％的制氢活性。无论如何，氢化酶可以固定在其活性态的结果对于解决通过异相催化在固相制氢材料中利用氢化酶的实用性迈出了重要的一步。
制氢材料
氢化酶的稳定性
电活性聚合物凝胶基体中制氢酶的固定
本发明提供了固定的(immobilized)氢化酶系统，其使用各种合成聚合物来封装氢化酶的分子。各种封装方法增加了酶的稳定性。其它影响(其中植入氢化酶的)聚合物基体的优化的因素是：1)在聚合物中掺杂各种电子转移剂/介质的能力和2)聚合物对底物和反应产物的渗透性。下列制氢酶已被成功封装：1)唯铁氢化酶(Fe-only Hydrogenase)，2)镍铁双向氢化酶，以及3)碱性磷酸酶(磷酸盐的氧化耦合制氢)。固定在这些多孔聚合物中可实现高产量的异相催化。
所述固定的催化剂体系可通过化学或电学方法获得还原电位。在三维催化剂中掺入电子转移剂/介质(来自于合成化学或生物来源)使得可以在三维的固定催化系统表面使用外源性还原力(reducingpower)。
受控氢化酶的异源表达
本发明进一步提供了在宿主细胞中可控表达异源氢化酶的方法。在宿主E.Coli.中已经实现了来自(Shewanella oneldensis)的氢化酶的受控异源表达。这是通过同时表达氢化酶结构基因和氢化酶成熟过程中涉及的公认的辅助基因产物实现的。通过优化目前的系统并且替换来自多种来源的氢化酶基因实现氢化酶的最大表达。可控表达实现了氢化酶的基因工程，以提高稳定性、催化活性和复合材料结构的衍生化。
光催化制H2
本发明还包括在制氢过程中使用光催化剂的方法。光催化剂的添加给系统引入了一个额外的控制要素，并且有可能允许使用较低电势的电子转移剂/介质作为还原当量源。该催化剂体系通过应用其内部的电学或者化学氧化/还原电势来实现运作。所述光催化剂的关键成分，及其具体合成包括：
1)具有受控尺寸和组成的催化纳米颗粒的合成
2)从光活性纳米颗粒到电子转移介质的电子转移
3)从光活性捕光分子到蛋白质笼封装的催化剂纳米颗粒的电子转移。
具有受控尺寸和组成的纳米颗粒的合成
本发明还提供了合成具有受控尺寸和组成的纳米颗粒的方法。仿生法已被用来系统地改变基于金属氧化物的纳米材料的组成，来调节光氧化还原过程的效率。通过制取一系列的蛋白质封装的纳米材料，评估了组成对于产生MV的效率的作用。这些材料包括，但不限于Fe2O3、Fe3O4、Mn2O3、Mn3O4、Co2O3、Co3O4、TiO2·nH2O以及掺杂了不同量的Ni(II)、ZnSe、CdSe、CdS、ZnS和MoS2的铁基和钴基材料。这些材料都已被合成并做了结构表征。
O 2 清除
在一个实施方案中，本发明在纳米颗粒的结构中使用了除氧剂。例如，在蛋白质笼结构中可包裹Cu(O)以保护氢化酶(或其它具有氧化还原活性的酶)的活性，其中Cu(O)对O2具有高反应性并可作为除氧剂。因此，含氧化铜的氢化酶蛋白笼可能具有很多优势。首先，Cu可以作为原位除氧系统，纳米颗粒的高比表面积使之非常引人注目。其次，由MV+光致还原产生的还原当量可用于驱动氢化酶系统的运转。还原态的MV+不能还原Cu(II)到Cu(O)，因此，光致还原的这两种产物自然而然地彼此独立。
光催化剂和捕光发色团
在另一个实施方案中，本发明提供了利用蛋白质笼结构作为捕光分子的平台的方法。例如，CCMV(及其它病毒)、铁蛋白(及铁蛋白类似蛋白)、小热休克蛋白、Dps蛋白的蛋白质笼结构可作为多价模板用于捕光分子的附着，所述捕光分子可用于驱动电子转移介质(如甲基紫罗碱)的光化学还原。这些包括如Ru(II)联吡啶和Ru(II)邻二氮杂菲的分子，这些分子可以以特定位点的方式(site specific manner)附着在笼上。还原态的甲基紫罗碱可由氧化态的甲基紫罗碱(MV)通过有机物(如EDTA)光化学氧化获得，其中使用Ru(bpy)3 2+作为催化剂。此外，捕光发色团可直接附着在氧化还原活性酶(如氢化酶)上，并可能消除传质限制和对电子传递介质(如甲基紫罗碱)的需求。
蛋白质笼封装的催化剂纳米颗粒
本发明还提供了包含其中封装了催化剂纳米颗粒的蛋白质笼的组合物。本发明人已证实，Pt的纳米颗粒可被有效封装在蛋白质笼结构内(CCMV、铁蛋白、Hsp、Dps)。这些颗粒的大小和形状受到蛋白质笼的限制，使得Pt胶体具有很高的相对比表面积，从而具有高的H+还原制氢的速率。该反应所需的还原当量可由还原态的甲基紫罗碱(MV)提供。可选的，所述还原态的紫罗碱可通过化学方法，在EDTA存在下，借助Zn(作为锌汞齐)的氧化得到。利用该耦合系统，制氢可以通过研究下列对象得到优化：Pt颗粒尺寸的依赖性、蛋白质笼结构的性质(即，还原态紫罗碱到Pt纳米颗粒的扩散通路)、抑制催化剂中毒以延长寿命、纳米颗粒催化剂(如Pd、CoPt、FePt)的组成以及光催化剂耦合的性质。
本发明人在将小肽(源自噬菌体表面展示技术(phage-display))装入蛋白质笼结构内部的成功经验有助于合成具有不同组成的纳米颗粒，特别是合金颗粒。这些肽被证实能够引起特定无机固体的成核和颗粒生长，并且能引起晶型选择。因此，合成一定数量的无机相可以用于实现催化剂的长期稳定性与H+还原形成H2的活性之间的最佳平衡。
此处公开的Pt颗粒封装于蛋白质笼中用作合成氢化酶模拟制品。这种体系能将具有最佳特性的胶体催化剂和生物催化剂装入合成材料中。尽管胶体催化剂和生物催化剂都有其自身局限(对氧气的敏感性、中毒、成本、以及反应条件和寿命)，但将两种类型的催化剂组合起来可以避免了这些限制。
还原剂
本发明还包括用于还原态甲基紫罗碱(及其它)介质形成的还原剂。有机物如乙二胺四乙酸、酒石酸、柠檬酸、醋酸、乙醇(及其它醇)，无机物如羟胺、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、连二亚硫酸盐和Zn均可使用。使用亚硫酸盐(SO3 2-)的优点在于它是石油精炼过程中的污染性副产物(SO2+H2O→HSO3 -)。亚硫酸盐的氧化形成硫酸盐(SO4 2-)。因此，使用亚硫酸盐作为还原剂同时还解决了有机物氧化引起的生成CO2的问题。
复合材料
本发明还提供了促进电子从氧化还原蛋白转移到电极的方法。将从二氧化硅得到的溶胶-凝胶材料中的氧化还原活性蛋白限制在纳米尺度，需要介质(如甲基紫罗碱)来促进与蛋白质的电子转移。这些凝胶的多孔特性为封装的蛋白质提供了通路。能够促进电极表面和氢化酶氧化还原中心以及其它氧化还原活性蛋白之间的直接电子转移的材料将消除对化学还原剂的催化依赖性。对于氢化酶，这些新型材料，将在酶法共催化生成和氧化H-2(g)过程中促进从被封装的酶到电极之间的电子流动。上述材料源自电活性基体。已经报到了多种生物电子玻璃(bioelectronic glass)，包括Sn掺杂的二氧化硅[Si/SiO2]、V2O5、MoO3及MnO2。
亚硫酸盐制氢的耦合酶系统
氢化酶可以通过下述方式与亚硫酸盐氧化酶耦合，1)在基于自由扩散的溶液的系统中2)通过共价固定(covalent attachment)(亚硫酸盐氧化酶和氢化酶的交联)或3)通过将两组分纳入电活性多孔凝胶中。在这个体系中，亚硫酸盐到硫酸盐的酶氧化过程产生的还原当量，可借助氢化酶引起质子还原。如上所述，使用亚硫酸盐(SO3 2-)的优点是它是石油精炼过程中的污染性副产物(SO2+H2O→HSO3 -)。亚硫酸盐的氧化生成了硫酸盐(SO4 2-)。因此，使用亚硫酸盐作为还原剂还解决了有机物氧化引起的生成CO2的问题。
耦合光催化剂和氢化酶
在开发可以利用光能从丰富的电子给体源(如亚硫酸盐、有机酸、或者乙醇)生产氢气的异相催化剂的过程中，将氢化酶和光催化剂(包括纳米颗粒光催化剂)耦合在一起。耦合系统可以在水溶液中或在固定凝胶中工作。制备异相催化剂，使得底物和产物可以在液相中运输，复合材料的组分可固定在电活性凝胶(二氧化硅或其它聚合物，如聚紫罗碱)中。添加耗氧催化纳米颗粒如(Cu(O))来防止氧敏感的氢化酶因氧气而失活。
无需进一步说明，相信本领域技术人员利用上述说明及下述实施例，即可制备并且使用本发明的化合物并实施要求保护的方法。因此，下述实施例具体指出本发明的优选实施方案，但不应被视为以任何方式对本公开其余部分的限制。
实施例1：氢化酶在聚合物凝胶中的封装
本实施例具体着眼于H2ase：溶胶-凝胶材料的制氢活性。氢化酶是双向酶，也可以催化氢气的氧化。将H2ase：溶胶-凝胶微粒置于氢气排出压力下的缓冲液(pH 8.0)中，并测定氢气的氧化活性。监测甲基紫罗碱还原引起的电子流。根据溶液中的观察，不论H2ase形式是NiFeH2ase(Lamprobacter modestogalophilus(Lm)和桃红荚硫菌(Tr))还是唯Fe H2ase(巴氏固氮梭状芽孢杆菌(CpI))，H2ase：溶胶-凝胶微粒保留约60-70％的析氢比活性(表1)(氢化酶的分离：(a)L.modestogalophilus：Zadvorny，O.A.；Zorin，N.A.；Gogotov，I.N.；Gorlenko，V.M.Biochemistry(Mosc)2004，69，164-169。(b)T.roseopersicina：Sherman，M.B.；Orlova，E.V.；Smirnova，E.A.；Hovmoller，S.；Zorin，N.A.JBacteriol.1991，173，2576-2580。(c)C.pasteurianum：Chen，J.S.；Mortenson，L.E.Biochim.Biophys.Acta 1974，371，283-298)。
表1：溶胶-凝胶封装的氢化酶的制氢活性a
a25℃下测量的活性，单位为nmol/分钟/mg蛋白质。
数值表示一小时内的平均速率
在同样条件下检测空白凝胶没有氢气产生。与更高纯度的制剂相比，由源自巴氏固氮梭状芽孢杆菌的唯铁氢化酶CpI热处理后的粗提取制剂组成的部分提纯制剂封装后保留了相似水平的活性(分别为70％和60％)(处理后的粗提取物通过下述方法制备：通过压力盒(pressure cell)进行细胞溶解处理，之后在55℃下温育10分钟，在4℃下过夜沉积，在20000g下离心分离以清除细胞颗粒和沉积的蛋白质)。这说明提取物中的额外的蛋白质大分子成分的共封装并没有显著影响活性。虽然粗提取物的封装使得材料的定型性较差，但能在封装和固定酶的粗制剂的同时保持相近的活性水平是具有现实意义的，因为氢化酶的异源表达不易得，纯化是非常费力的，并且制备大量的纯化材料非常昂贵。到目前为止，CpI是直接从厌氧环境下生长的巴氏固氮梭状芽孢杆菌细胞中纯化而来的，并且酶是在无氧和有还原剂的条件下纯化而来的。
长期稳定性和温度的适应性对于潜在的高产量的制氢生物催化剂而言是至关重要的。活性氢化酶对氧敏感，并且典型的是，稀酶制剂在室温下的贮存寿命有限。对于实现这些生物催化剂的应用，这些性质都是有待克服的障碍。本发明人对纯化的Lm NiFe氢化酶和CpI热处理的提取物的贮存寿命(图2)和热稳定性(图3)做了详细研究。凝胶封装的酶可存放在室温下的厌氧缓冲液中，四周后保留了初始原料约80％的活性(图2)。封装的氢化酶的稳定性增强在较长的时间段中最为突出。温度研究表明，封装后的酶的功能和在溶液中大致相当(图3)。后续研究将监测更长的贮存期，但无论如何，考虑到优化这些酶的封装条件尚未尝试，此处显示的结果是振奋人心的。
目前还不清楚是什么因素造成了H2ase：溶胶-凝胶的活性随时间下降。似乎是因为长时间的暴露后，还原态的介质结合到溶胶-凝胶材料上。这并不奇怪，因为源于TMOS的溶胶-凝胶的Si-O网络和未反应的Si-OH部分使溶胶-凝胶材料内具有强的离子配对能力。这可能造成H2ase：溶胶-凝胶的活性随时间缓慢下降。
将溶液中和溶胶-凝胶封装的CpI H2ase样品用蛋白酶处理(巴氏固氮梭状芽孢杆菌提取物样品在活性测定前用蛋白酶混合物(proteasecocktail)处理25分钟)，以确保观察到的制氢活性来自于植入溶胶-凝胶材料的多孔结构内部的酶(图4)(Tr和Lm氢化酶不易受蛋白水解消化的影响)。暴露于蛋白酶25分钟后，溶液中的CpI H2ase的活性降低到几乎为零。CpI H2ase：溶胶-凝胶的活性在类似的蛋白酶处理后降低了不到7％。这个小的下降可能是由于蛋白酶消化了可接触的表面束缚的或未封装的H2ase。这些结果清楚地表明，绝大多数活性氢化酶被植入凝胶内，并且避免了其发生蛋白质水解。此外，这些结果表明，封装的效率高，并且观察到的氢化酶活性的降低不是因为蛋白质的部分封装。因此活性的损失可以归因于封装过程中的酶失活或者基体中传质速率的整体下降。
将H2ase以纳米尺度封装于多孔溶胶-凝胶内促成了功能化制氢生物材料的合成。作为异相催化剂，这些新材料具有巨大的潜力和效用。
实施例2  封装于Hsp笼内的Pt纳米颗粒的合成
本实施例描述了封装于Hsp笼内的Pt纳米颗粒的合成。源于詹氏甲烷球菌的小热休克蛋白(Hsp)的自组装笼状结构被用来封装具有预定空间布局的金属簇(Flenniken et al.2003)。Hsp由24个亚基组成12nm的笼结构，用贯穿笼结构的孔隙限定了6.5nm的内腔，通过所述内腔，分子可以往返于内外环境(图5)(Kim et al.1998)。
简单来说，将纯化的Hsp在65℃下用PtCl4 2-温育15分钟。用150、250、或1000Pt每蛋白质笼来培育蛋白质笼。随后用二甲胺硼烷复合物((CH3)2NBH3)还原，形成褐色溶液。用尺寸排阻色谱表征反应产物，显示其保留体积和与未经处理的Hsp相同，并显示了蛋白质(280nm)和铂(350nm)组分的共析(图6)。动态光散射表明，反应后颗粒的直径没有变化。Pt处理的Hsp(Pt-Hsp)的透射电子显微镜(TEM)图显示出，由电子衍射识别为Pt金属的电子密集中心(图7A插图)，以及负染色时显示了完整的12nm的蛋白笼(图7B)。在染色的样品中，Pt颗粒可以清晰地从上述背景色中看出，并且Pt颗粒被固定在笼结构内。在平均载荷为1000Pt/笼时，观察到2.2(0.7nm)的金属颗粒(图7C)。在理论载荷为250Pt/笼时，观察到1(0.2nm)的颗粒(图8)，而在载荷为150Pt/笼时，由于电子显微镜的限制而辨别不出任何颗粒。不含Hsp的控制反应可形成聚集的铂胶体，其能够迅速从溶液中沉淀。在相同的总蛋白浓度下，使用牛血清白蛋白(BSA)的控制反应也引起本体沉淀，并且只有一部分Pt保留在溶液中，通过TEM可以发现其颗粒尺寸分布宽(3-120nm)。
Pt-Hsp蛋白质笼复合材料是高活性的人造催化剂，可以还原氢离子形成氢气，其速率可以媲美高效氢化酶。在典型的氢化酶分析中，还原态的甲基紫罗碱(MV+)被用作还原当量源推动反应。和大多数离体氢化酶(in vitro hydrogenase)试验使用连二亚硫酸盐产生MV+不同，本发明使用可见光和催化剂(Ru(bpy)3 2+)通过氧化简单的有机物如EDTA(Brugger et al.1981；Jiang et al.2004)(图9)来产生MV+。在此改变的分析中，在25℃下，用配备了红外滤光片和紫外截止滤光片(<360nm)的150瓦氙弧灯照射溶液。在存在MV2+(0.5mM)、Ru(bpy)3 2+(0.2mM)、和EDTA(200mM)，pH值为5.0的条件下，照射Pt-Hsp(0.51μM)，产生的氢气量通过气相色谱分析来量化。基于每个笼进行计算，在载荷系数为1000Pt/Hsp时，初始的氢气生成速率为4.47×103H2/s(394H2/s)，在载荷系数为250时为7.63×102H2/s(405H2/s)(图6)。这些速率和已经报道的氢化酶的速率大致相当(4×103-9×103H2/蛋白质分子)(Adams et al.1990)。
在Pt载荷最低(150Pt/Hsp)的情况下没有检测到制氢活性。这与之前关于Pt的活性依赖于其大小的报道(Greenbaum et al.1988)是一致的。这也和我们在这些样品中无法通过TEM检测到离散的Pt颗粒是一致的，说明合成的Pt颗粒低于活性要求的阈限值。
当氢气生成速率基于每Pt计算时，它们和其它报道的Pt纳米颗粒相比非常好。含有1000Pt/笼的Pt-Hsp的初始速率为268H2/Pt/分钟，这明显优于可比的文献报道值：20H2/Pt/分钟(Brugger et al.1981)、16H2/Pt/分钟(Keller et al.1980)和6.5H2/Pt/分钟(Song et al.2004)。此外，Pt-Hsp的初始制氢速率大于在不含蛋白质的可控反应中的Pt颗粒的制氢速率约20倍。耦合光化学反应制氢的长期稳定性尚未得到优化，并且观察到在前20分钟后该反应显著变慢(图10)。氢气产量的减少可能主要是由于Pt催化氢化引起的光催化剂Ru(bpy)3 2+和电子介质(MV2+)的降解(Keller et al.1980)。
与氢化酶不同，人造的Pt-Hsp体系对O2不敏感，且H2的产生不受CO的显著抑制，但会因为硫醇而中毒。Pt-Hsp催化反应由还原态的紫罗碱(MV+)驱动。MV+可由上文所述的光还原或者用琼斯还原器(Jones redactor)(Harris et al.1999)(锌汞齐)制得，其得到的制H2速率低于耦合光还原反应约40％。此外，通过原位还原和亚甲基蓝漂白观察到Pt-Hsp能够催化逆向反应(H2--2H++2e-)(Seeffeldt et al.1989)。对该人造体系的实用前景重要的是，Pt-Hsp结构非常稳定，可以加热至85℃而不会发生复合物的沉淀或者催化活性的损失。
本发明使用了定形良好的热稳定蛋白笼结构来产生人造氢化酶，它具有很多生物催化剂的一般特点。在空间上有选择性地引入小金属团簇到Hsp的笼状结构内部，作为还原H+形成H2的活性中心。这些人工酶的具体活性可以和已知的氢化酶相媲美，且明显优于之前描述的Pt纳米颗粒。Hsp的蛋白质笼结构能够保持小团簇的完整，防止聚集，并控制进入这些“活性中心”的通道。Pt-Hsp复合物在高达85℃仍然稳定，体现了使用蛋白质结构设计和实施功能纳米材料的用途。
给出上述详细描述是为了清晰清楚，不应将其理解为不必要的限制，因为对本领域技术人员而言，改进是显而易见的。
尽管已经结合具体其实施方案对本发明作了描述，但应当理解，还可以有进一步的改进，并且本申请意在涵盖任何出自于本发明原理的变化、用途、或对本发明的适应性修改，包括对本发明的公开内容在公知或本领域的习惯做法限度内的偏离，并且适用于上文提出的或附录的权利要求的范围的必要特征。
出于公开和描述本发明具体方面的目的，此处引用的所有出版物均以引用的方式纳入本申请。
参考文献
Adams，M.W.Biochim.Biophys.Acta 1990，1020，115-145.
Allen，M.；Willits，D.；Mosolf，J.；Young，M.；Douglas，T.AdV.Mater.2002，14，1562-1565.
Allen，M.；Willits，D.；Young，M.；Douglas，T.Inorg.Chem.2003，42，6300-6305.
Armor，J.N.Catal.Lett.2005，101，131-135.
Avnir，D.；Braun，S.；Lev，O.；Ottolenghi，M.Chem.Mater.1994，6，1605-1615.
Blyth，D.J.；Aylott，J.W.；Richardson，D.J.；Russell，D.A.Analyst1995，120，2725-2730.
Brinker，C.J.；van Swol，F.；Shelnutt，J.A.J.Am.Chem.Soc.2004，126，635-645.
Brugger，P.A.；Cuendet，P.；Gratzel，M.J.Am.Chem.Soc.1981，103，2923-2927.
Cammack，R.Nature 1999，397，214-5.
Chen，C.W.；Tano，D.；Akashi，M.J.Colloid Interface Sci.2000，225，349-358.
Chen，D.H.；Yeh，J.1；Huang，T.C.J.Colloid Interface Sci 1999，215，159-166.
Chum，H.L.；Overend，R.P.Fuel Process.Technol.2001，71，187-195.
Douglas，T.；Young，M.Nature 1998，393，152-155.
Eklund，S.E.；Cliffel，D.E.Langmuir 2004，20，6012-6018.
Flenniken，M.L.；Willits，D.A.；Brumfield，S.；Young，M.J.；Douglas，T.NanoLett.2003，3，1573-1576.
Gill，I.Chem.Mater 2001，13，3404-3421
Gomez，S.；Erades，L.；Philippot，K.；Chaudret，B.；Colliere，V.；Balmes，O.；Bovin，J.O.Chem.Commun.2001，1474-1475.
Greenbaum，E.J.Phys.Chem.1988，92，4571-4574.
Happe，R.P.；Roseboom，W.；Pierik，A.J.；Albracht，S.P.；Bagley，K.A.Nature 1997，385，126.
Harris，D.，Quantitative Chemical Analysis.5th ed.；W.H.Freemanand Co.：New York，1999；p425.
Jiang，D.L.；Choi，C.K.；Honda，K.；Li，W.S.；Yuzawa，T.；Aida，T.J.Am.Chem.Soc.2004，126，12084-12089.
Keller，P.；Moradpour，A.J.Am.Chem.Soc.1980，102，7193-7196.
Kim，K.K.；Kim，R.；Kim，S.H.Nature 1998，394，595-599.
Klem，M.；Willits，D.；Solis，D.；Belcher，A.；Young，M.；Douglas，T.AdV.Funct.Mater.2005，15，1489-1494.
Lan，E.H.；Dave，B.C；Fukuto，J.M.；Dunn，B.；Zink，J.I；Valentine，J.S.J.Mater.Chem.1999，9，45-53.
McMillan，R.A.；Paavola，C.D.；Howard，J.；Chan，S.L.；Zaluzec，N.J.；Trent，J.D.Nat.Mater.2002，1，247-252.
Narayanan，R.；El-Sayed，M.A.Nano Lett.2004，4，1343-1348.
Nicolet，Y.；Lemon，B.J.；Fontecilla-Camps，J.C；Peters，J.W.Trends Biochem.Sci.2000，25，138-43.
Peters，J.W.Curr.Opin.Struct.Biol.1999，9，670-676.
Peters，J.W.；Lanzilotta，W.N.；Lemon，B.J.；Seefeldt，L.C.Science1998，282，1842-1843.
Pierik，A.J.；Hulstein，M.；Hagen，W.R.；Albracht，S.P.Eur.J.Biochem.1998，258，572-8.
Przybyla，A.E.；Robbins，J.；Menon，N.；Peck，H.D.，Jr.FEMSMicrobiol.ReV.1992，8，109-35.
Seefeldt，L.C；Arp，D.J.Biochemistry 1989，28，1588-1596.
Smith，K.；Silvernail，N.J.；Rodgers，K.R.；Elgren，T.E.；Castro，M.；Parker，R.M.J.Am.Chem.Soc.2002，124，4247-4252.
Song，Y.J.；Yang，Y.；Medforth，C.J.；Pereira，E.；Singh，A.K.；Xu，H.F.；Jiang，Y.B.；
Spiegel，R.J.Transp.Res.，Part D：Transp.EnViron.2004，9，357-371.
Teranishi，T.；Kurita，R.；Miyake，M.J.Inorg.Organomet.Polym.2000，10，145-156.
Tseng，P.；Lee，J.；Friley，P.Energy 2005，30，2703-2720.
Tu，W.X.；Lin，H.F.Chem.Mater.2000，12，564-567.
Usselman，R.J.；Klem，M.；Allen，M.；Walter，E.D.；Gilmore，K.；Douglas，T.；Young，M.；Idzerda，Y.；Singel，D.J.J.Appl.Phys.2005，97.
Varfolomeyev，S.D.；Aliev，T.K.；Efremenko，E.N.Pure Appl.Chem.2004，76，1781-1798.
Vignais，P.M.；Billoud，B.；Meyer，J.FEMS Microbiol.ReV.2001，25，455-501.
Volbeda，A.；Charon，M.H.；Piras，C；Hatchikian，E.C；Frey，M.；Fontecilla-Camps，J.C.Nature 1995，373，580-7.
Winter，C.J.Int.J.Hydrogen Energy 2005，30，681-685.
Wunschiers，R.；Lindblad，P.Int.J.Hydrogen Energy 2002，27，1131-1140.
Zink，J.I.；Valentine，J.S.；Dunn，B.New.J.Chem.1994，18，1109-1115.
Zhao，S.Y.；Chen，S.H.；Wang，S.Y.；Li，D.G.；Ma，H.Y.Langmuir2002，18，3315-3318.

Claims (41)

1.用于光催化制H2的复合材料，其包含：
1)聚合物凝胶；
2)光催化剂；和
3)基于蛋白质的H2催化剂。
2.权利要求1的复合材料，其中所述H2催化剂是氢化酶。
3.权利要求2的复合材料，其中所述氢化酶封装于聚合物凝胶中。
4.权利要求3的复合材料，其中所述凝胶是多孔的。
5.权利要求4的复合材料，其中所述凝胶是溶胶-凝胶。
6.权利要求1的复合材料，其中所述H2催化剂是氢化酶模拟制品。
7.权利要求6的复合材料，其中所述氢化酶模拟制品是纳米颗粒。
8.权利要求7的复合材料，其中所述纳米颗粒在形式上是具有壳和核的蛋白质笼。
9.权利要求8的复合材料，其中所述壳包含蛋白质。
10.权利要求9的复合材料，其中所述蛋白质是24亚基蛋白。
11.权利要求10的复合材料，其中所述蛋白质是小热休克蛋白(HSp)。
12.权利要求8的复合材料，其中所述核包含金属。
13.权利要求12的复合材料，其中所述金属选自铂、镍、铁和钴。
14.权利要求13的复合材料，其中所述金属是铂。
15.权利要求1的复合材料，其还包含氧化还原介质。
16.权利要求15的复合材料，其中所述氧化还原介质包含聚紫罗碱。
17.权利要求16的复合材料，其还包含除氧剂。
18.权利要求17的复合材料，其中所述除氧剂包含Cu(0)。
19.权利要求1的复合材料，其中所述光催化剂制成纳米颗粒。
20.权利要求1或19的复合材料，其中所述光催化剂封装于蛋白质笼结构中。
21.权利要求1的复合材料，其中所述氢化酶来自巴氏固氮梭状芽孢杆菌(Clostridium pasteurianum)、Laprobacter modestogalophilus、桃红荚硫菌(thiocapsa reseopericina)或它们的组合。
22.权利要求17的复合材料，其中该材料包含：
1)还包含光催化剂和氢化酶的内层，和
2)还包含光催化剂、氧化还原介质和除氧剂的外层。
23.制H2方法，其包含使电子给体与包含1)聚合物凝胶、2)光催化剂和3)基于蛋白质的H2催化剂的复合材料发生反应。
24.权利要求23的方法，其中所述H2催化剂是氢化酶。
25.权利要求24的方法，其中所述氢化酶来自巴氏固氮梭状芽孢杆菌、Laprobacter modestogalophilus、桃红荚硫菌或它们的组合。
26.权利要求24的方法，其中所述氢化酶封装于聚合物凝胶中。
27.权利要求26的方法，其中所述凝胶是多孔的。
28.权利要求27的方法，其中所述凝胶是溶胶-凝胶。
29.权利要求23的方法，其中所述H2催化剂是氢化酶模拟制品。
30.权利要求29的方法，其中所述氢化酶模拟制品是纳米颗粒。
31.权利要求30的方法，其中所述纳米颗粒在形式上是具有壳和核的蛋白质笼。
32.权利要求31的方法，其中所述壳包含蛋白质。
33.权利要求32的方法，其中所述蛋白质是24亚基蛋白。
34.权利要求33的方法，其中所述蛋白质是小热休克蛋白(HSp)。
35.权利要求31的方法，其中所述核包含金属。
36.权利要求35的方法，其中所述金属选自铂、镍、铁和钴。
37.权利要求36的方法，其中所述金属是铂。
38.权利要求23的方法，其中所述光催化剂制成纳米颗粒。
39.权利要求23或38的方法，其中所述光催化剂封装于蛋白质笼结构中。
40.权利要求23的方法，其中所述电子给体选自：醋酸、柠檬酸、酒石酸、乙醇、EDTA、羟胺及其混合物。
41.权利要求23的方法，其中所述电子给体选自：亚硫酸盐、硫代硫酸盐和连二亚硫酸盐。
CNA2006800215914A 2005-05-16 2006-05-16 用于光催化制氢的复合纳米材料及其使用方法 Pending CN101512003A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US68117405P 2005-05-16 2005-05-16
US60/681,174 2005-05-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101512003A true CN101512003A (zh) 2009-08-19

Family

ID=38309659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNA2006800215914A Pending CN101512003A (zh) 2005-05-16 2006-05-16 用于光催化制氢的复合纳米材料及其使用方法

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20080302669A1 (zh)
EP (1) EP1902130A4 (zh)
JP (1) JP2008539786A (zh)
CN (1) CN101512003A (zh)
AU (1) AU2006336421A1 (zh)
CA (1) CA2608870A1 (zh)
WO (1) WO2007086918A2 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103934032A (zh) * 2014-04-22 2014-07-23 中国科学院理化技术研究所 一种粘土负载产氢催化剂及其制备方法和应用
CN104340957A (zh) * 2013-07-29 2015-02-11 中国科学院大连化学物理研究所 光合系统ii和半导体杂化体系光催化分解水制氢气的方法
CN109908964A (zh) * 2019-04-02 2019-06-21 南京大学 铁硫簇-蛋白凝胶复合物及其制备方法与应用

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100021391A1 (en) * 2006-07-14 2010-01-28 Montana State University Novel nanoparticles for biofilm targeting
US20100258446A1 (en) * 2009-04-03 2010-10-14 Board Of Regents Of The Nevada System Of Higher Education, On Behalf Of The University Of Nevada Systems including nanotubular arrays for converting carbon dioxide to an organic compound
WO2011020025A1 (en) 2009-08-14 2011-02-17 Loyola University Of Chicago Composition for catalytic amide production and uses thereof
US20140295518A1 (en) * 2011-09-30 2014-10-02 Council Of Scientific & Industrial Research Process for generation of hydrogen and syngas
US9593053B1 (en) 2011-11-14 2017-03-14 Hypersolar, Inc. Photoelectrosynthetically active heterostructures
US20160008783A1 (en) * 2013-02-15 2016-01-14 Empire Technology Development Llc Photocatalytic degradation of sugar
US10100415B2 (en) 2014-03-21 2018-10-16 Hypersolar, Inc. Multi-junction artificial photosynthetic cell with enhanced photovoltages
US20210008532A1 (en) * 2018-03-13 2021-01-14 BOMAX Hydrogen LLC Improved Methods and Systems for Photo-Activated Hydrogen Generation
US20210147990A1 (en) * 2018-04-12 2021-05-20 Alliance For Sustainable Energy, Llc In vitro production of hydrogen utilizing hydrogenase
CN108786856A (zh) * 2018-05-29 2018-11-13 江苏大学 一种MoS2/Co3O4异质结光催化剂的制备方法及其应用
US11541105B2 (en) 2018-06-01 2023-01-03 The Research Foundation For The State University Of New York Compositions and methods for disrupting biofilm formation and maintenance
WO2021102248A1 (en) * 2019-11-20 2021-05-27 Oakbio, Inc. Bioreactors with integrated catalytic nitrogen fixation
CN111575208A (zh) * 2020-05-25 2020-08-25 扬州大学 三氧化二铁-硫化钼复合纳米材料及其在抑制基因接合转移中的应用
CN111847525B (zh) * 2020-07-29 2023-06-13 安徽工程大学 一种水葫芦绿色合成磁性纳米Fe3O4颗粒的方法及应用
CN113926497B (zh) * 2021-10-08 2022-12-30 浙江工商大学 基于核酸适配体修饰的MoS2复合材料的微流控阵列质谱芯片及其制备方法与应用
CN114395550A (zh) * 2022-01-16 2022-04-26 安徽大学 一种固定化异化金属还原细菌驱动的生物产氢-纳米钯耦合降解卤代有机污染物的方法
CN118421716B (zh) * 2024-07-04 2024-09-24 东北大学 一种高效生物/非生物混合制氢体系及其制备方法和应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5821111A (en) * 1994-03-31 1998-10-13 Bioengineering Resources, Inc. Bioconversion of waste biomass to useful products
US20040028694A1 (en) * 2002-02-01 2004-02-12 Young Mark J. Novel nanoparticles and use thereof
US7501270B2 (en) * 2003-04-18 2009-03-10 Allaince For Sustainable Energy, Llc Oxygen-resistant hydrogenases and methods for designing and making same
US20070184309A1 (en) * 2003-05-30 2007-08-09 Gust Jr John D Methods for use of a photobiofuel cell in production of hydrogen and other materials

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104340957A (zh) * 2013-07-29 2015-02-11 中国科学院大连化学物理研究所 光合系统ii和半导体杂化体系光催化分解水制氢气的方法
CN104340957B (zh) * 2013-07-29 2017-03-15 中国科学院大连化学物理研究所 光合系统二和半导体杂化体系光催化分解水制氢气的方法
CN103934032A (zh) * 2014-04-22 2014-07-23 中国科学院理化技术研究所 一种粘土负载产氢催化剂及其制备方法和应用
CN109908964A (zh) * 2019-04-02 2019-06-21 南京大学 铁硫簇-蛋白凝胶复合物及其制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007086918A2 (en) 2007-08-02
WO2007086918A3 (en) 2009-04-23
CA2608870A1 (en) 2007-08-02
EP1902130A4 (en) 2009-12-02
EP1902130A2 (en) 2008-03-26
US20080302669A1 (en) 2008-12-11
AU2006336421A1 (en) 2007-08-02
JP2008539786A (ja) 2008-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101512003A (zh) 用于光催化制氢的复合纳米材料及其使用方法
Shen et al. A whole-cell inorganic-biohybrid system integrated by reduced graphene oxide for boosting solar hydrogen production
Son et al. Amorphous carbon nitride as a robust photocatalyst for biocatalytic solar-to-chemical conversion
Lei et al. Recent advances in biomolecule immobilization based on self-assembly: organic–inorganic hybrid nanoflowers and metal–organic frameworks as novel substrates
Evans et al. Chemistry and the hydrogenases
Woolerton et al. CO2 photoreduction at enzyme-modified metal oxide nanoparticles
Navarro et al. A framework for visible-light water splitting
Lee et al. Emerging approach in semiconductor photocatalysis: Towards 3D architectures for efficient solar fuels generation in semi-artificial photosynthetic systems
Zhang et al. Metal hydride-embedded titania coating to coordinate electron transfer and enzyme protection in photo-enzymatic catalysis
Xiao et al. Panoramic insights into semi-artificial photosynthesis: origin, development, and future perspective
Kim et al. Stability-controllable self-immobilization of carbonic anhydrase fused with a silica-binding tag onto diatom biosilica for enzymatic CO2 capture and utilization
Prasad et al. Recent progress on the development of g-C3N4 based composite material and their photocatalytic application of CO2 reductions
CN112403519B (zh) COF-300/PPy/Au(G)纳米酶催化剂的制备方法及应用
Kim et al. Material science lesson from the biological photosystem
Chen et al. Chemical flocculation-based green algae materials for photobiological hydrogen production
Li et al. Whole‐Cell‐Based Photosynthetic Biohybrid Systems for Energy and Environmental Applications
Alli et al. Photocatalysts for CO2 reduction and computational insights
Shen et al. Photodriven chemical synthesis by whole-cell-based biohybrid systems: From system construction to mechanism study
CN111389469A (zh) 一种用于去除水体藻类的光催化异质结纳米复合材料的制备方法
Zhang et al. Rhodium-based MOF-on-MOF difunctional core–shell nanoreactor for NAD (P) H regeneration and enzyme directed immobilization
Xing et al. Development of an integrated system for highly selective photoenzymatic synthesis of formic acid from CO2
CN111172068B (zh) 细胞周质光敏化的全细胞杂合体系的构筑方法及其应用
Sharma et al. Dramatic increase in stability and longevity of enzymes attached to monodispersive iron nanoparticles
Li et al. Constructing a new platform for photo-peroxidase catalysis: ZIF-90 as a dual ‘modulator’to overcome peroxide industrial application bottlenecks
Zhou et al. In-CdS@ ZIF-8&FDH photo-enzyme nanosystem with high NADH regeneration ability via indium doping for enhanced CO2 reduction to formic acid

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090819