CN113755884A - 一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可复用纳米核‑壳结构模拟酶材料及其制备方法，所述制备方法包括步骤：取铁源和铵源，加入到溶剂中超声搅拌，得到混合液A，将所述混合液A在第一预设条件下反应，磁分离后洗涤、干燥，得到磁性纳米铁；将所述磁性纳米铁与锰源、铵源在去离子水中超声搅拌，得到混合液B，将所述混合液B在第二预设条件下进行反应，磁分离后洗涤、干燥，得到可复用纳米核‑壳结构模拟酶材料。本发明制备工艺简单、原料简单易得且对生物和环境友好，可适用于工业化大规模生产，且制得的产品具有可磁分离和循环使用的特性，再生循环使用中依然保持极高的酶活力，具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电解水催化析氢技术领域，具体而言，涉及一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料及其制备方法。
背景技术
天然酶具有高催化活性，对底物的结合具有很强的特异性，并且具有相对温和的条件，然而其催化活性对环境条件的变化非常敏感，易于变性和消化，并降低其稳定性，这些固有的缺陷极大地限制了天然酶的实际应用潜力。多年来，科学家一直致力于开发具有类似于天然酶的人工酶类似物，以构建更稳定和更容易获得的生物模拟酶系统。随着近年来纳米技术的发展，一些新的纳米材料被制备成功且被证实具有模拟酶的性质，如FeS、Co3O4、AgPd等，这些材料能够在H2O2存在的时候表现出高效的催化性能，并且这些材料已被实际应用于催化剂等相关医药领域。
二氧化锰纳米颗粒MnO2 NPs具有结构可控、离子转换较易等优点，在催化、生物传感器及储能等方面有着广泛的应用。此外，当将纳米微球MCs加工成纳米尺寸薄膜后，再将其进行催化实验时，也展现出了卓越的酶活性。基于其高催化活性的特点，牛血清白蛋白改性的二氧化锰微球(MnO2 MCs)已被投入实际使用，用来检测H2O2浓度。
然而，二氧化锰微球(MnO2 MCs)在制备及应用时工艺复杂、价格昂贵，无法实现MnO2晶体结构的可控生长，不适于工业化生产。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料及其制备方法，以解决现有二氧化锰微球纳米模拟酶材料在实际应用中存在工艺复杂、催化效率低、价格高的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、取铁源和铵源，加入到溶剂中超声搅拌，得到混合液A，将所述混合液A在第一预设条件下反应，磁分离后洗涤、干燥，得到磁性纳米铁Fe3O4 NPs；
S2、将所述磁性纳米铁Fe3O4 NPs与锰源、铵源在去离子水中超声搅拌，得到混合液B，将所述混合液B在第二预设条件下进行反应，磁分离后洗涤、干燥，得到可复用纳米核-壳结构模拟酶材料Fe3O4@MnO2 MCM。
可选地，步骤S1所述铁源包括硝酸铁或三氯化铁，所述铵源包括过硫酸铵(NH4)2S2O8、草酸铵(NH4)2C2O4，四丁基溴化铵C16H36BrN和甲基乙二胺C3H12N2中的一种，所述溶剂包括甲醇、乙醇和乙二醇中的一种。
可选地，步骤S1所述铁源和所述铵源的质量比在1：0.2至1：0.8范围内。
可选地，步骤S1所述第一预设条件包括反应温度在200℃至400℃范围内、反应时间10h至20h范围内。
可选地，步骤S2所述第二预设条件包括反应温度在120℃至200℃范围内、反应时间1h至2h范围内。
可选地，步骤S2所述磁性纳米铁、所述锰源和所述铵源质量比在1：66：92至1：17：23范围内。
可选地，所述锰源包括硫酸锰、硝酸锰和氯化锰中的一种。
本发明另一目的在于提供一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料，采用上述所述的可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法制备。
相对于现有技术，本发明提供的可复用纳米核-壳结构模拟酶材料及其制备方法具有以下优势：
(1)本发明通过水热法，在高温高压的条件下实现了MnO2晶体结构的可控生长，与单纯的MnO2 MCs所呈现的针状结构相比，Fe3O4@MnO2 MCM表面的花状结构是一种三维立体结构，这种结构能够暴露出更多的活性位点，为催化反应提供更多的接触面积，从而提高材料的催化性能；此外，Fe3O4 NPs具有独特的超顺磁性和天然酶具有相近的催化活性，能在更宽的酸碱条件和温度区间依然保持着较高催化活性，并且可以通过改变表面基团、粒子结构等来进行催化活性的调节。
(2)本发明制备工艺简单、原料简单易得且对生物和环境友好，可适用于工业化大规模生产，且制得的产品具有可磁分离和循环使用的特性，再生循环使用中依然保持极高的酶活力，具有广阔应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述Fe3O4 NPs的透射电镜图；
图2为本发明实施例2所述Fe3O4 NPs的XRD谱图；
图3为本发明实施例2所述Fe3O4@MnO2 MCM的XRD图；
图4为本发明实施例4所述Fe3O4@MnO2 MCM的pH值的催化影响表征图；
图5为本发明实施例4所述Fe3O4@MnO2 MCM的温度的催化影响表征图；
图6为本发明实施例4所述Fe3O4@MnO2 MCM的可重复性表征；
图7为本发明实施例4所述Fe3O4@MnO2 MCM的H2O2含量的催化影响表征图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本申请实施例的描述中，术语“一些具体实施例”的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
需要说明的是，本实施例所述的“在...范围内”包括两端的端值，如“在1至100范围内”，包括1与100两端数值。
本发明实施例提供了一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、取铁源和铵源，加入到溶剂中超声搅拌，得到混合液A，将混合液A在第一预设条件下反应，磁分离后洗涤、干燥，得到磁性纳米铁Fe3O4 NPs；
S2、将磁性纳米铁Fe3O4 NPs与锰源、铵源在去离子水中超声搅拌，得到混合液B，将混合液B在第二预设条件下进行反应，磁分离后洗涤、干燥，得到可复用纳米核-壳结构模拟酶材料Fe3O4@MnO2 MCM。
本发明通过水热法，在高温高压的条件下实现了MnO2晶体结构的可控生长，与单纯的MnO2 MCs所呈现的针状结构相比，Fe3O4@MnO2 MCM表面的花状结构是一种三维立体结构，这种结构能够暴露出更多的活性位点，为催化反应提供更多的接触面积，从而提高材料的催化性能；此外，Fe3O4 NPs具有独特的超顺磁性和天然酶具有相近的催化活性，能在更宽的酸碱条件和温度区间依然保持着较高催化活性，并且可以通过改变表面基团、粒子结构等来进行催化活性的调节。
具体地，步骤S1中，铁源包括硝酸铁或三氯化铁，铵源包括过硫酸铵(NH4)2S2O8、草酸铵(NH4)2C2O4、四丁基溴化铵C16H36BrN和甲基乙二胺C3H12N2中的一种，溶剂包括甲醇、乙醇和乙二醇中的一种。
其中，铁源和铵源的质量比在1：0.2至1：0.8范围内，第一预设条件包括反应温度在200℃至400℃范围内、反应时间10h至20h范围内。也即，将2.0-4.0g铁源和0.8-1.6g铵源，加入到40-80ml溶剂内超声搅拌，得到混合液A，将混合液A倒入不锈钢高压釜中，置于200-400℃的马弗炉中反应10-20h，反应完成后冷却至室温即得到Fe3O NPs。
具体地，步骤S2中，第二预设条件包括反应温度在120℃至200℃范围内、反应时间1h至2h范围内。磁性纳米铁Fe3O NPs、锰源和铵源质量比在1：66：92至1：17：23范围内。锰源包括硫酸锰、硝酸锰和氯化锰中的一种。
也即，将20-40mgFe3O4 NPs与0.68-1.36g锰源、0.92-1.84g铵源加入40-80mL去离子水中，制备的混合液B转移至聚四氟乙烯内衬中，放入不锈钢高压釜中，在120-200℃下水热反应反应1-2h，反应完成后冷却至室温即得到可重复利用的纳米核-壳结构模拟酶材料。
本发明制备工艺简单、原料简单易得且对生物和环境友好，可适用于工业化大规模生产，且制得的产品具有可磁分离和循环使用的特性，再生循环使用中依然保持极高的酶活力，具有广阔应用前景。
本发明另一实施例提供了一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料，采用上述的可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法制备。
当MnO2 MCs负载在(S)Fe3O4 NPs表面之后，复合粒子的磁饱和强度虽有所降低，但依然具有较强的磁性特质。将Fe3O4@MnO2 MCM充分分散于去离子水中，可以实现快速分离的效果。这种独特的性质使Fe3O4@MnO2 MCM能够在催化实验中进行快速的分离回收再利用，降低了使用成本。
在上述实施方式的基础上，本发明给出如下可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法的具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按质量计算。
实施例1
本实施例提供了一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将80mL乙二醇倒入250mL锥形瓶中，加入4.0g乙酸铵和1.6g三氯化铁，在超声的同时进行机械搅拌15min以得到黄色乳浊液。接着分别将2.0mL四甲基乙二胺和1.6g四丁基溴化铵加入瓶中，超声搅拌15min，倒入不锈钢高压釜中，置于200℃的马弗炉中反应10h。冷却后对所收集的产物进行磁分离，水洗和醇洗的过程重复3次之后，利用冷冻干燥机将得到的固体产物进行干燥，制备得到的Fe3O4 NPs。
2)称取40mg步骤1)制得的Fe3O4 NPs置于250mL锥形瓶中，加入80mL去离子水，超声的同时进行机械搅拌15min向其中加入1.36g的MnSO4和1.84g的(NH4)2S2O8，继续超声搅拌15min，将所得的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，放入不锈钢高压釜中，于120℃的条件下反应2h。待高压釜冷却至室温之后磁分离，再水洗乙醇洗各三次，最后将洗涤之后的黑色产物置于冻干机中进行冻干，得到Fe3O4@MnO2 MCM。
对实施例1所述的Fe3O4 NPs、MnO2 MCM、Fe3O4@MnO2 MCM采用透射电镜进行结构表征，得到如图1所示的结果图，如图1(a)、(b)为(S)Fe3O4 NPs的透射电镜图，可以发现所制备的实心结构Fe3O4 NPs具有高度均一的粒径大小，并且粒径大致为350nm。图1(c)、(d)所示的是MnO2 MCs的透射电镜图，可以看出，外部生长的针状结构尺寸大致相同，约为10nm。图1(e)为MnO2生长在Fe3O4 NPs表面之后的TEM图，可以看出当MnO2 MCs与Fe3O4NPs结合之后，粒子的尺寸发生明显变化，增大至1.5μm左右。另外，从图1(f)可以看出，大量均匀分布的互相交杂的花状结构出现在Fe3O4@MnO2MCM表面。与单纯的MnO2 MCs所呈现的针状结构相比，Fe3O4@MnO2 MCM表面的花状结构是一种三维立体结构，这种结构能够暴露出更多的活性位点，为催化反应提供更多的接触面积，从而提高材料的催化性能，图中所显示的Fe3O4 NPs球均为黑色，这说明制备的粒子为实心结构纳米微球。
实施例2
本实施例提供了一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将40mL乙二醇倒入250mL锥形瓶中，加入2.0g乙酸铵和0.8g三氯化铁，在超声的同时进行机械搅拌20min以得到黄色乳浊液；接着分别将1.0mL四甲基乙二胺和0.8g四丁基溴化铵加入瓶中，超声搅拌15min，倒入不锈钢高压釜中，置于200℃的马弗炉中反应10h；冷却后对所收集的产物进行磁分离、水洗和醇洗过程，重复3次，利用冷冻干燥机将得到的固体产物进行干燥，制备得到的Fe3O4 NPs。
2)称取20mg步骤1)制得的Fe3O4 NPs置于250mL锥形瓶中，加入40mL去离子水，超声的同时进行机械搅拌15min向其中加入0.68g的MnSO4和0.92g的(NH4)2S2O8，继续超声搅拌15min，将所得的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，放入不锈钢高压釜中，于240℃的条件下反应2h；待高压釜冷却至室温之后磁分离，再水洗乙醇洗各三次，最后将洗涤之后的黑色产物置于冻干机中进行冻干，得到Fe3O4@MnO2 MCM。
图2为实施例2制得的Fe3O4 NPs的XRD谱图，图2(a)和(b)分别为(H)Fe3O4 NPs和(S)Fe3O4 NPs的XRD谱图，可以发现两者均在220(30.1°)、311(35.4°)、511(57.0°)、440(62.5°)出现了Fe3O4 NPs的特征峰，并与已有的标准谱图(JCPDS no.01-1111)对比保持高度一致，同时在图中并没有观察到杂质峰的出现，说明所制备的两种结构Fe3O4 NPs具有很高的结晶度，也说明均为单一的尖晶石结构的Fe3O4 NPs。
图3为实施例2制得的Fe3O4@MnO2 MCM的XRD图，如图3所示，从(S)Fe3O4 NPs的XRD曲线可以看出，在36.87°，42.34°，55.82°处出现的波峰分别对应着Fe3O4@MnO2 MCM中的(222)，(400)，(511)衍射峰。从MnO2 MCs谱图可以观察到在36.87°，55.01°，66.56°处出现了衍射峰，分别对应着Fe3O4@MnO2 MCM中的(100)，(102)，(110)三处衍射峰。当两者相互结合之后，Fe3O4 NPs的衍射峰几乎没有发生明显的变化，同时Fe3O4@MnO2 MCM出现的衍射峰为Fe3O4 NPs和MnO2 MCs的峰位叠加，这说明在第二步水热反应中，球型结构的Fe3O4 NPs并没有发生分解或者转变为其它结构Fe3O4 NPs。XRD的表征结果进一步证实了所得材料是由Fe3O4 NPs与MnO2 MCs组成的复合材料。
实施例4
本实施例提供了一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将40mL乙醇倒入250mL锥形瓶中，加入2.0g(NH4)2S2O8和0.8g硝酸铁，在超声的同时进行机械搅拌20min以得到黄色乳浊液；接着分别将1.0mL四甲基乙二胺和0.8g四丁基溴化铵加入瓶中，超声搅拌20min，倒入不锈钢高压釜中，置于200℃的马弗炉中反应10h；冷却后对所收集的产物进行磁分离、水洗和醇洗过程，重复3次，利用冷冻干燥机将得到的固体产物进行干燥，制备得到的Fe3O4 NPs。
2)称取20mg步骤1)制得的Fe3O4 NPs置于250mL锥形瓶中，加入40mL去离子水，超声的同时进行机械搅拌15min向其中加入0.68g的Mn(NO3)2和0.92g的(NH4)2C2O4，继续超声搅拌15min，将所得的混合液转移至聚四氟乙烯内衬中，放入不锈钢高压釜中，于240℃的条件下反应4h；待高压釜冷却至室温之后磁分离，再水洗、乙醇洗各三次，最后将产物置于冻干机中进行冻干，得到Fe3O4@MnO2 MCM。
图4-图7为实施例4制备的Fe3O4@MnO2 MCM对不同pH值、温度和H2O2含量的催化响应表征图。
从图4可以看出，当溶液的pH稳定在4.5左右时，催化剂的活性最高。因此在接下来的催化反应中，选择pH为4.5来进行催化反应。
为了研究反应温度对催化活性的影响，在温度为10℃-50℃的反应环境下，来对催化剂进行催化活性的研究，其结果如图5所示，从图中可以看出在35℃左右时，三种产物的催化活性均达到了最大，因此我们在接下来的催化实验中，选取35℃作为最佳反应温度。
图6所示的是Fe3O4@MnO2 MCM在重复使用过程中的活性对比，可以看出即使在重复使用7次之后，催化剂依然具有很高的活性，这种可重复性使我们所制备的材料能更有利于在实际当中的应用。
在催化反应中，当催化剂的数量一定时，其表面的活性位点数量是有限的，基于此，我们考察了H2O2浓度在0.05-0.4μmmol/L范围内对催化活性的影响，其结果如图7所示。从图中我们可以看出当H2O2的浓度较低时，Fe3O4@MnO2 MCM表面的活性位点并没有完全被H2O2占据，而且溶液中只产生了少量的羟基自由基，从而导致低浓度的H2O2含量时，催化活性也最低。当H2O2浓度逐渐增加至20mmol/L时，足量的H2O2与Fe3O4@MnO2 MCM表面的活性位点相互反应，产生了大量的羟基自由基参与反应，从而使催化剂的活性达到了最高，基于此，我们选择20mmol/L作为后续催化反应中H2O2的浓度。当H2O2的浓度继续增加时，反应体系的吸光度反而减小，这一点与HRP的催化反应现象相类似。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、取铁源和铵源，加入到溶剂中超声搅拌，得到混合液A，将所述混合液A在第一预设条件下反应，磁分离后洗涤、干燥，得到磁性纳米铁；
S2、将所述磁性纳米铁与锰源、铵源在去离子水中超声搅拌，得到混合液B，将所述混合液B在第二预设条件下进行反应，磁分离后洗涤、干燥，得到可复用纳米核-壳结构模拟酶材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述铁源包括硝酸铁或三氯化铁，所述铵源包括过硫酸铵、草酸铵、四丁基溴化铵和甲基乙二胺中的一种，所述溶剂包括甲醇、乙醇和乙二醇中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述铁源和所述铵源的质量比在1：0.2至1：0.8范围内。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1所述第一预设条件包括反应温度在200℃至400℃范围内、反应时间10h至20h范围内。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤S2所述第二预设条件包括反应温度在120℃至200℃范围内、反应时间1h至2h范围内。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S2所述磁性纳米铁、所述锰源和所述铵源质量比在1：66：92至1：17：23范围内。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述锰源包括硫酸锰、硝酸锰和氯化锰中的一种。
8.一种可复用纳米核-壳结构模拟酶材料，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的可复用纳米核-壳结构模拟酶材料的制备方法制备。
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