CN115957822B - 一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物催化领域，具体涉及一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶及其制备和应用。本发明提供一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶，所述人造酶是将钌团簇均匀稳定地锚定在Ni‑MOF上制得。所得人造酶具有优异仿CAT性能，可以实现过氧化氢清除和产氧（K_m：483.6 mM，V_max：54.9μM s^‑1及TON：2.21 s^‑1），并且所得人造酶材料具有出色的催化活性与催化稳定性。此外，本发明所得人造酶材料能够快速稳定地产生氧气且具有高稳定性以利于其重复使用，表明所得材料具有应用于便携式产氧设备的潜力。

Description

一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶及其制备和应用

技术领域

本发明属于生物催化领域，具体涉及一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶及其制备和应用。

背景技术

众所周知，天然酶具有一些固有缺陷如对温度敏感，苛刻pH条件下易变性失活、成本高昂、制备不易等，极大程度限制其应用，因此寻找天然酶的替代品一直是研究的热点，近年来，对类酶催化生物合成和生物治疗的需求不断增长，推动了人工酶令人振奋的创新。与天然酶不同，人工酶的高稳定性保证其在苛刻条件下仍能提供生物催化活性，并且人工酶表面丰富的催化活性位点能有效提高其催化活性。目前，人工酶已经成为天然酶理想而新颖的代替品，广泛应用于生物传感器，生物成像，抗菌和抗肿瘤等领域。

天然抗氧化物酶具有高特异性与高催化活性，能够高效清除ROS。其中，CAT（过氧化氢酶）作为一种典型的天然抗氧化酶，可以催化过氧化氢转化产生氧气，在人类生命系统以及工业生产中有着重要作用。现有CAT酶纳米仿酶的研究主要集中在金属基类酶、金属氧化物基类酶、MOF材料基类酶及碳基类酶。在这些研究中，基于碳和金属氧化物等传统载体的纳米团簇表面环境调节效果远不能令人满意且难以实现，具有有限的催化性能。而MOF材料及其衍生物由于其精确的配位网络、介孔结构和可调孔隙率，有望直接替代常规酶进行酶促反应。同时，基于MOF材料的纳米材料也因其孔隙率、高比表面积和化学/热稳定性而被用于研发CAT模拟物。但该类材料的开发具有挑战性，由于MOF材料的稳定性不同，报道的在MOF材料纳米片上制备纳米颗粒的方法并不普遍适用于其他MOF材料。因此，在不影响MOF材料结构的情况下合成贵金属纳米团簇/MOF材料复合物作为高效生物催化剂仍然是一个巨大的挑战。

另一方面，贵金属由于其小尺寸和独特的生理化学特性，通常对物质表现出突出的亲和力和催化能力。迄今为止，基于贵金属的纳米材料已经被证明具有CAT性能，已有研究在MOF材料上引入金属单原子或金属团簇得到类CAT活性类的纳米酶，如在PCN222-Mn上负载Pt纳米粒子、Au 纳米团簇负载金属MOF等。然而这些仿CAT人造酶多用于生物治疗领域如癌症放疗、抗炎治疗、光动力疗法，而未见有实际产氧应用，如用于制备便携式产氧设备或制氧机。

发明内容

针对上述缺陷，本发明首次将钌团簇均匀锚定在金属Ni-MOF上得到一种具有优异CAT仿酶性能的负载钌团簇的金属有机框架人造酶材料，Ni-MOF材料不仅可以作为Ru纳米团簇（Ru NCs）的支撑，最大限度的暴露活性位点，还可以通过界面相互作用调节Ru纳米团簇的电子构型；最终所合成的人造酶具有优异仿CAT性能，可以实现过氧化氢清除和产氧（K _m：483.6 mM， V _max：54.9 μM s^-1 及TON：2.21 s^-1），并且所得人造酶材料具有出色的催化活性与催化稳定性。进一步，本发明所得人造酶材料能够快速稳定地产生氧气且具有高稳定性以利于其重复使用，表明所得材料具有应用于便携式产氧设备的潜力。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种负载钌团簇的金属有机框架人造酶，所述人造酶是将钌（Ru）纳米团簇均匀稳定地锚定在Ni-MOF（Ni金属有机框架）上制得。

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶具有过氧化氢酶活性。

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H₂O₂清除实验测试结果表明：pH=7～11，所述人造酶30分钟过氧化氢清除率为82~89%。

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H₂O₂浓度梯度实验测试结果表明：V _max=54.9 μM s^-1，K _m=483.6 mM。

进一步，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H₂O₂浓度梯度实验测试结果表明：所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的TON值为2.21s^-1。

本发明要解决的第二个技术问题是提供上述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的制备方法，所述制备方法为：将钌盐和Ni-MOF通过离子交换法合成了所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶。

进一步，所述制备方法为：将钌盐溶液和Ni-MOF分散液混匀，于25～40℃（优选为30 ℃）反应10～14（优选为12）小时；然后收集沉淀并经洗涤干燥制得所述人造酶。

进一步，所述钌盐和Ni-MOF中Ni的摩尔比为：1：5～40。

进一步，所述钌盐选自：RuCl₃•3H₂O、乙酰丙酮钌（C₁₅H₂₁O₆Ru）或醋酸钌（C₆H₉O₆Ru）等。

本发明中，所述Ni-MOF采用现有技术中常用的制备方法制得即可。

本发明要解决的第三个技术问题是指出上述负载钌团簇的金属有机框架人造酶在制备能够实现过氧化氢清除和/或产氧材料、过氧化氢清除和/或产氧设备中的用途。如用于制备便携式产氧设备或制氧机。

本发明的有益效果

本发明将Ru团簇均匀稳定地锚定在Ni-MOF上制得了一种新型的负载钌团簇的金属有机框架人造酶（Ru@Ni-MOF），所得人造酶具有优异的仿CAT性能，能够高效清除过氧化氢并将其转化氧气，其V _max值与TON值超越了市面上大多数常见ROS清除剂。本发明在简易装置中模拟实际应用中材料的产氧能力，结果表明该人造酶能快速生成氧气，且在测试时间保持着稳定高水平流量。此外，所得人造酶材料的稳定性优异，催化前后几乎完全保持着原有结构及催化活性。可见，本发明的Ru@Ni-MOF一方面为制备具有CAT性能的人造酶提供了新思路，将Ru NCs引入贵金属-MOF仿酶体系；另一方面，对人造酶的应用进行了进一步拓宽，所得人造酶材料在未来具有用于便携式制氧设备的潜力。

附图说明

图1（a）Ru@Ni-MOF材料的TEM图；（b）Ni-MOF材料及Ru@Ni-MOF材料的XRD图；（c）Ru@Ni-MOF材料的高分辨率TEM图；（d）Ru@Ni-MOF材料的EDS元素分布图。

图2（a）Ru@Ni-MOF的TEM 图；（b）Ru@Ni-MOF的HRTEM图；（c） 在Ni-MOF上生长的Ru团簇尺寸分布图。

图3为Ru@Ni-MOF和Ni-MOF的红外光谱谱图（a）以及拉曼光谱谱图（b）。

图4为对比例1所得Ni-MOF（图4a）和不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF的SEM图：图4b为1：5、图4c为1：10、图4d为1：20、图4e为1：40、图4f为1：80。

图5为Ni-MOF和Ru@Ni-MOF的XPS光谱图。

图6 Ru@Ni-MOF材料的XPS光谱图：（a）Ru 3p，（b) Ni 2p以及（c）O1s。

图7为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF的XRD图。

图8a为空白对照组、不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF的30分钟过氧化氢清除曲线结果图；图8b为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF 30分钟时过氧化氢清除率统计结果图。

图9 为空白对照组、Ni-MOF及Ru@Ni-MOF催化下的（a）过氧化氢含量变化图；（b）氧气含量变化图。

图10为Ni-MOF、Ru@Ni-MOF的过氧化氢转化速率(左)及氧气生成速率图（右）。

图11（a）为空白对照组和不同浓度Ru@Ni-MOF清除过氧化氢测试得到的405 nm波长附近的吸光度曲线图；（b）不同Ru@Ni-MOF浓度下过氧化氢清除率结果图；（c）不同温度下，Ru@Ni-MOF材料的过氧化氢清除率结果图。

图12为过氧化氢作为底物时，Ni-MOF和Ru@Ni-MOF的米氏常数K _m值（右边的图形柱）与最大反应速率V _max值（左边的图形柱）结果图。

图13为不同ROS清除催化剂的TON值与V _max值对比图。

图14a为本发明空白对照组、对比例1、实施例3和对比例3所得催化剂的过氧化氢清除性能结果图；图14b为空白对照组、对比例1和实施例3所得催化剂的产氧性能测试结果图；图14c为对比例3所得催化剂的产氧性能测试结果图。

图15 （a）不同pH条件过氧化氢清除性能图；（b）不同pH条件残余过氧化氢量与清除率图；（c）不同pH条件产氧性能测试图；（d）不同pH条件过氧化氢转化率及产氧速率比较图；（e）pH=7时催化稳定性测试图；（f）pH=9时催化稳定性测试图。

图16 产氧性能测试：（a）产氧性能测试示意图；（b）不同催化剂浓度下氧气生成体积随时间的变化图；（c）不同催化剂浓度下产氧速率图；（d）不同H₂O₂浓度下氧气生成体积随时间的变化图；（e）不同H₂O₂浓度下产氧速率图；（f）催化剂稳定性测试图；催化剂催化前后的拉曼光谱图（i）、Ru 3p XPS光谱图（j）和Ni 2p XPS光谱图（k）。

图17 催化前（a）和催化后（b）Ru@Ni-MOF的SEM图。

图18简单装置中的催化剂产氧性能：（a）简单装置中粉末样品产氧性能测试示意图；（b）O₂生成曲线图；（c）气体取样袋照片；（d）氧气流量测试示意图；（e）氧气流量曲线图；（f）简单装置中Ru@Ni-MOF/CC产氧性能测试示意图；（g）Ru@Ni-MOF/CC的照片；（h）Ru@Ni-MOF/CC的O₂生成曲线图；（i）Ru@Ni-MOF/CC气体取样袋照片；（j）Ru@Ni-MOF/CC稳定性试验结果图。

具体实施方式

本发明优化贵金属纳米团簇的固有电子和几何结构，改善中间体的吸附/解吸，设计并制备了一种具有特异仿CAT性能的负载钌团簇的金属有机框架人造酶。本发明首次将钌团簇均匀锚定在金属Ni-MOF上得到一种人造酶材料，Ni-MOF材料不仅可以作为Ru纳米团簇（Ru NCs）的支撑，最大限度的暴露活性位点，还可以通过界面相互作用调节Ru纳米团簇的电子构型；最终所合成的人造酶具有优异仿CAT性能，可以实现过氧化氢清除和产氧（K _m：483.6 mM， V _max：54.9 μM s^-1 及TON：2.21 s^-1），并且所得人造酶材料具有出色的催化活性与催化稳定性。进一步，本发明所得人造酶材料能够快速稳定地产生氧气且具有高稳定性以利于其重复使用，表明所得材料具有应用于便携式产氧设备的潜力。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

本发明实施例中用到的材料与试剂：

乙酸镍（II）四水合物（Ni（OAc）₂·4H₂O）、N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）、对苯二甲酸（1,4-H₂BDC）从阿拉丁（中国上海）处购买。氯化钌（III）水合物（RuCl₃·3H₂O）从EnergyChemical（安耐吉化学）获得。实验中使用的纯水（18.2 MΩ cm）由成都优普生物科技公司所产的超纯水机自制。

实施例1～4 Ru@Ni-MOF的制备

步骤1：Ni-MOF纳米片的合成

基于溶剂热法，首先，将Ni（OAc)₂·4H₂O（0.4 mmol，99.2 mg）溶于24 mL去离子水中，然后将1,4-H₂BDC（0.2 mmol，33.2 mg）溶于24 mL DMAC中；通过搅拌将两种溶液混合在一起形成均匀溶液；然后将溶液转移至100 mL内衬聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，并在150℃下反应3小时；再冷却至室温后，离心收集产物，分别用去离子水和乙醇洗涤，然后在60℃下真空干燥12小时，得到Ni-MOF纳米片。

步骤2：不同钌掺杂比的Ru@Ni-MOF的制备

将44 mg Ni-MOF在含有40 mL去离子水的玻璃瓶中连续超声处理1小时，并转为油浴，然后将不同摩尔量的RuCl₃•3H₂O水溶液添加到Ni-MOF溶液中，并在30°C下连续搅拌12小时；分别用去离子水和乙醇洗涤产物，并在60 ℃的真空烘箱中干燥过夜制得Ru@Ni-MOF；其中，RuCl₃•3H₂O中Ru与Ni-MOF中Ni的摩尔比（Ru：Ni）分别为：1：5（实施例1）、1：10（实施例2）、1：20（实施例3）、1：40（实施例4）。

对比例1 Ni-MOF纳米片的制备

Ni-MOF纳米片的合成

基于溶剂热法，首先，将Ni（OAc）₂·4H₂O（0.4 mmol，99.2 mg）溶于24 mL去离子水中，然后将1,4-H₂BDC（0.2 mmol，33.2 mg）溶于24 mL DMAC中；通过搅拌将两种溶液混合在一起形成均匀溶液；然后将溶液转移至100 mL内衬聚四氟乙烯不锈钢高压反应釜中，并在150℃下反应3小时；再冷却至室温后，离心收集产物，分别用去离子水和乙醇洗涤，然后在60℃下真空干燥12小时，得到Ni-MOF纳米片。

对比例2 Ru@Ni-MOF的制备

制备方法同实施例，区别仅在于RuCl₃•3H₂O与Ni-MOF中Ni的摩尔比为1：80。

对比例3 钛酸钡负载钌团簇Ru_NC/BTO的制备

步骤1：BTO纳米颗粒的合成：

基于溶剂热法，使用Ba(OH)₂·H₂O和Ti-丁醇作为起始材料，将25 mmol的Ti-丁醇与10 mL乙醇混合，然后加入3.5 mL氢氧化铵溶液得共混液。将37.5 mmol的Ba(OH)₂·H₂O溶于12.5 mL去离子水中，制备透明的氢氧化钡溶液。

然后将氢氧化钡水溶液加入到共混液中混匀，将最终悬浮液转移到100 mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，并在200℃下热处理48小时得相应得产物。反应后，用乙酸和高纯度乙醇反复洗涤（洗涤至少3次）所得产物，然后在烘箱中60℃下干燥24小时得BTO纳米颗粒。

步骤2：Ru_x/BTO纳米颗粒的合成（采用水热离子交换法）：

将摩尔比为1：15的RuCl₃·xH₂O和BTO纳米颗粒分散在40 mL去离子水中，超声处理使其均匀，然后转移到100 mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，并在180°C下热处理24 h；通过过滤分离得Ru_x/BTO，之后用去离子水洗涤，然后在60°C下在烘箱中干燥得Ru_x/BTO纳米颗粒。

步骤3：基于钛酸钡负载钌团簇的人造酶材料（Ru_NC/BTO）的制备：

将上述所得Ru_xBTO纳米颗粒通过在Ar气流下以5 ℃ min^-1的斜率在管式炉中加热至300 ℃，然后在300 ℃下保持2 h，最后在Ar流下自然冷却至室温制得金属团簇酶Ru_NC/BTO。

试验例1 微观结构测试

1）检测方法：

扫描电子显微镜（SEM）型号为ThermoFisherScientific Apreo S HiVoc。透射电子显微镜（TEM）由在200 kV下运行的Talos F200i TEM显微镜（美国FEI有限公司）获得。热重分析（TGA）使用德国耐驰TG209 F3热重分析仪在30至700°C的温度范围内，在氮气气氛下进行，加热速率为10°C min^-1。采用X射线衍射（XRD，DX-2700BH，中国昊源仪器公司）分析材料的晶体结构。拉曼光谱由LabRAM HR Evolution Raman显微镜（HORIBA）获得，激发激光束波长为633 nm。傅里叶变换红外光谱分析在Nicolet-ls50分光光度计（Nicol，US）上进行，范围为4000-400 cm^-1。X射线光电子光谱（XPS）光谱在K-Alpha上进行™ + X射线光电子光谱仪系统（Thermo Scientific），带有半球形180°双焦点分析仪，128通道检测器和单色AlKα辐射。Ru K边的X射线吸收（XAS）光谱是在中国上海同步辐射设施的BL14W1束线上以荧光模式进行的，该束线在3.5 GeV下运行，最大注入电流为230 mA。使用配备有Si（111）晶体的双晶单色仪对同步辐射束进行单色化，以减少单色束的谐波分量。

2）检测结果：

图1a和图2a中的透射电子显微镜（TEM）图像显示，实施例3（1：20）所得Ru@Ni-MOF中Ru以团簇（图2c）的形式均匀地锚定在Ni-MOF纳米片的表面上。X射线衍射图中Ru@Ni-MOF显示出与原始Ni-MOF相似的峰（图1b），表明添加Ru对Ni-MOF材料的结构几乎没有影响，这与红外光谱和拉曼光谱的结果一致（图3a和b）。此外，应该注意的是，由于负载量低，Ru簇没有峰值。高分辨率TEM（HRTEM）图像进一步显示了0.214 nm的晶格间距，这可归因于Ru簇的（002）晶面（图1c、图2b）。同时，EDS显示了清晰的聚集体，进一步证实了Ru团簇的形成（图1d）。

图4为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF（图4b为1：5、图4c为1：10、图4d为1：20、图4e为1：40、图4f为1：80）和对比例1所得Ni-MOF（图4a）的SEM图像；由图4a～f可知：低掺杂量时催化剂呈小碎片状，而当Ru掺杂比高于1：20时，催化剂具有较好的形貌，呈较为完整的片状结构。

在确认Ru团簇的存在后，利用X射线光电子能谱（XPS）对Ru@Ni-MOF人造酶催化剂的化学组成和价态进行了研究。XPS光谱显示，Ni、O、C和Ru元素在Ru@Ni-MOF材料中存在（图5）。此外，在引入Ru团簇后，可清晰地检测出Ru 3p 光谱（图6a），进一步证明了Ru的成功掺杂。再者，Ru@Ni-MOF在461.3和483.7 eV处的峰（图6a）可归因于金属Ru，而464.4和485.3eV处的峰则归因于Ru-O键。Ni-MOF材料的Ni 2p光谱在854.9和872.5 eV处显示的两个特征峰（图6b）分别归因于Ni 2p_3/2和Ni 2p_1/2，它们是Ni²⁺的特征峰。值得注意的是，Ru@Ni-MOF材料的Ni 2p结合能低于Ni-MOF，表明Ni和Ru原子之间存在电子相互作用以及从Ru NCs到Ni-MOF材料的电子转移。图6c中的O 1s光谱可解卷积为三个峰，结合能分别为530.1、531.1和532.6 eV，分别归属于Ni（Ru）-O、O-C＝O和被吸收的水。图7为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF的XRD图像结果对比，表明Ru的掺杂并未影响Ni-MOF的结构。

综合考虑SEM，XRD，原料成本以及性能数据，所以本发明选定掺杂比为1：20 的Ru@Ni-MOF作为最佳合成比例；本发明中，没有特别说明所得催化剂的性能结果均为该比例下所得人造酶的性能结果。

试验例2 过氧化氢酶样催化活性测试

1）检测方法：

通过评估H₂O₂清除和O₂生成来测试过氧化氢酶样活性。H₂O₂清除能力测定如下：首先，将1.97 mL PBS（pH=7.4），10 μL Ru@Ni-MOF（10 mg mL^-1）以及20 uL H₂O₂（1M）依次加入2 mL离心管中。30分钟后，向96孔板中加入Ti（SO₄）₂溶液（100 μL，13.9 mM）和50μL上述混合溶液，并用酶标仪测量405 nm处的吸收强度。按上述测试方法测试了不同Ru@Ni-MOF浓度下H₂O₂清除能力。

类似地，按上述测试方法测试材料在不同温度和不同pH条件下的H₂O₂清除能力。O₂产生能力的测试方法如下： 依次将20 mL PBS（pH=7.4），20 μl Ru@Ni-MOF（10 mg mL^-1）加入到20mL离心管中，然后快速加入200 μL H₂O₂（10 M）。用溶解氧计以5秒的时间间隔测量5分钟内O₂浓度。

类似地，按上述测定方法测定不同pH条件下材料的O₂生成能力。使用H₂O₂浓度梯度实验评估过氧化氢酶样活性的稳态动力学。简言之，所有测定均在含有20 mL PBS（pH＝7.4）和20 μL Ru@Ni-MOF（10 mg mL^-1）条件下进行，[S]为H₂O₂底物的浓度，将不同浓度的H₂O₂（50-500 mM）添加到上述混合溶液中，并用溶解氧计测量5分钟内的氧浓度。然后，通过“吸光度-时间”曲线获得对应于每个H₂O₂浓度的初始反应速度（V ₀）。绘制所得的数据并将其拟合到Michaelis-Menten曲线（方程（1）），最大反应速率（V _max）和Michaelis-Menten常数（K _m）分别由线性双倒数图的斜率和截距确定（Lineweaver-Burk图，方程（2））。此外，根据等式（3）计算表示催化效率的转化数（TON），其中[E₀]表示Ru@Ni-MOF催化中心的含量。

2）检测结果：

图8a为空白对照组（本发明中的空白对照组指：除不加催化剂其他条件完全相同的对比组）、不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF的30分钟过氧化氢清除曲线结果，由图可知：随Ru掺杂量提高，当Ru-Ni掺杂比达到1：40时，材料表现出较为优异的过氧化氢清除活性，掺杂比达1：20时，过氧化氢清除性能已非常优异，此后再提高Ru掺杂量对催化剂过氧化氢清除性能的影响不大。图8b为不同Ru掺杂比的Ru@Ni-MOF和对比例1所得Ni-MOF 30分钟时过氧化氢清除率统计结果；图8b也表明当Ru掺杂比达1：20时，催化剂具有极佳的性能。

实施例3所得Ru@Ni-MOF显示出对H₂O₂的高效清除活性，清除率为82.3%，而原始Ni-MOF材料显示出非常差的H₂O₂清除率（图9a）。同时，产氧测试也验证了Ru@Ni-MOF催化剂可有效分解H₂O₂底物并产生大量O₂（图9b）。此外，H₂O₂转化率和O₂生成率也表明Ru@Ni-MOF材料催化剂可消耗H₂O₂生成O₂（图10）。在不同催化剂浓度和温度下进行性能测试，以说明H₂O₂消除活性对于浓度和温度的依赖性。简言之，H₂O₂消除活性随着Ru@Ni-MOF材料催化剂浓度和温度增大而增大（图11a-b），随着温度升高而增大（图11c）。为了揭示稳态催化动力学，进一步测试了初始催化反应速率（V ₀）、最大催化速率（V _max）、对H₂O₂的亲和力（K _m）和转化数（TON，每个催化原子转化的最大底物数）。Ru@Ni-MOF催化剂的催化行为符合典型的MichaelisMenten动力学。与纯Ni-MOF相比，Ru@Ni-MOF显示出较高的V _max（54.9 μM s^-1）和K _m（483.6mM）（图12）。虽然Ru@Ni-MOF材料与Ni-MOF相比，其对H₂O₂的亲和力更低，由于其更快的反应动力学，它拥有更好的性能，此外，其TON值为2.21 s^-1不次于当前最先进的H₂O₂清除材料，如Co₃O₄纳米片、Mn₃O₄和Cu_5.4O等（图13）。

图14a为本发明空白对照组、对比例1、实施例3和对比例3所得催化剂的过氧化氢清除性能结果图，由图可知实施例3所得Ru@Ni-MOF的过氧化氢酶活性远超对比例1中的Ni-MOF和对比例3所得Ru_NC/BTO，具有更优异的过氧化氢清除效率与产氧效率，由此可见即使均采用Ru作为催化活性中心，但是其负载不同的载体，最终的催化性能并不相同。图14b为对照组、对比例1和实施例3所得催化剂的产氧性能测试结果图，图14c为对比例3所得催化剂的产氧性能测试结果图，由图可知实施例3较对比例1和对比例3明显具有更快速更大量的产氧能力。

对实施例3所得Ru@Ni-MOF催化剂施加了不同pH条件并监测产氧性能以说明催化剂的适用条件。测试表明，催化剂的性能随着pH值的增加而提高，但当pH值过高时会降低，这表明催化剂可能在强碱性溶液中被破坏，这与产氧实验一致（图15a～c）。此外，H₂O₂转化率和O₂生成率也表明Ru@N-MOF催化剂可以在不同的pH条件下消耗H₂O₂生成O₂（图15d）。此外，本发明通过过氧化物-钛络合物法反复进行H₂O₂清除测试，以验证催化剂循环催化能力。结果表明，在试验过程中没有明显的催化活性损失（图15e，f），表明该催化剂具有良好的催化稳定性。

试验例3 产氧性能测试

1）检测方法：

采用排水法测定了不同材料浓度和不同H₂O₂浓度下的产氧率：向反应瓶中加入2、4、6、8、10 mg样品和10 mL H₂O₂（10 M），并记录每5 s产生的氧气量。类似地，向反应烧瓶中加入2、4、6、8、10 M H₂O₂和10 mg样品，并记录每5 s产生的氧气体积。

氧气生产能力：建立氧气收集装置，向瓶中加入40 mg样品和20 mL H₂O₂（10 M），用1 L空气收集袋收集产生的氧气，并记录收集完成所需的时间。此外，为了实现材料回收，将70 mg样品滴在碳布上，并使用该装置测量收集1 L氧气所需的时间。反应过程中氧气的流速由流量计反映。向反应瓶中加入70 mg样品和10 mL H₂O₂（10 M），并记录流量计指示器。

稳定性测试：对于粉末材料，向反应瓶中加入50 mg样品和2 mL H₂O₂（10 M），并记录产生224 mL氧气所需的时间；每次反应后离心收集材料并重复该步骤；对于落在碳布上的材料，每次添加一定量的H₂O₂，并记录产生50 mL氧气所需的时间。

2）检测结果：

受过氧化氢优异清除性能的激励，利用典型的排水法研究实际应用中在H₂O₂中的产氧性能（图16a）。结果表明，无论改变材料的浓度还是改变过氧化氢的浓度，Ru@Ni-MOF可以在反应过程中持续保持性能，导致产生的氧气量稳定增加。此外，氧气生成速率随Ru@Ni-MOF浓度和H₂O₂浓度增大而增大（图16b-e）。值得注意的是，稳定性测试结果表明Ru@Ni-MOF在八个循环后仍保持高水平的催化活性，在33 s内产生224 mL氧气（图16f）。本发明认为，性能的下降实际上来自于循环实验期间材料的损失，而不是材料本身反应性的下降。为了进一步了解Ru@Ni-MOF，样品在循环反应后收集并通过SEM、拉曼光谱和XPS光谱分析；SEM图像显示Ru@Ni-MOF形态在进行稳定性测试后保持良好，没有显著变化或损坏（图17a和b）。相应的拉曼光谱和XPS光谱分析也表明Ru@Ni-MOF在稳定性测试前后，良好地保持了Ru NCs的化学组成和价态（图16i、j和k）。

为了评估Ru@Ni-MOF实际应用潜力，利用1 L气体取样袋，研究了60 mg样品的实际产氧能力。首先通过反应筒产生氧气，氧气由清洗筒净化并由气体取样袋收集（图18a）。在本发明简单反应系统中，Ru@Ni-MOF可以在103 s内收集1 L氧气（图18b，c）。此外，使用气体流量计研究了Ru@Ni-MOF的气体流量，将反应烧瓶连接到气体流量计，并用气体取样袋收集生成的氧气（图18d），发现Ru@Ni-MOF可保持高水平恒定流速（图18e）。此外，为实现催化剂回收，本发明将Ru@Ni-MOF负载在碳布上(记作Ru@Ni-MOF/CC）（将70 mg样品滴在碳布上）（图18f，g）。如图18h和i所示，Ru@Ni-MOF/CC可以在120 s内产生1 L氧气，这与粉末样品的产氧性能相对应。在此基础上，本发明研究了Ru@Ni-MOF/CC的稳定性，图18j显示Ru@Ni-MOF/CC在11个循环后保持其初始催化活性。

综上可知，本发明提供了一种稳定性好、制备简便、高催化活性的Ru金属掺杂金属共价有机框架——Ru@Ni-MOF人造酶催化材料的合成方法；所得人造酶具有优异CAT酶仿酶性能，能够高效清除过氧化氢并将其转化氧气，其V _max值与TON值超越了市面上大多数常见ROS清除剂。进行不同pH条件催化性能测试发现材料在pH=9时具有最优异表现，并且有着优异循环催化能力。在简易装置中模拟实际应用中材料的产氧能力，结果表明该催化剂在适宜催化剂浓度和H₂O₂浓度下能快速生成氧气，且在测试时间保持着稳定高水平流量，此外，材料的稳定性优异，催化前后几乎完全保持着原有结构及催化活性能。基于以上实验结果，本发明认为Ru@Ni-MOF一方面为制备具有CAT仿酶性能人造酶提供了新思路，将Ru NCs引入贵金属-金属有机配位框架CAT仿酶体系；另一方面，对人造酶的应用进行了进一步拓宽，该材料在未来具有用于便携式制氧设备的潜力。

Claims (5)

1.负载钌团簇的金属有机框架人造酶在制备能够实现过氧化氢清除和/或产氧材料、过氧化氢清除和/或产氧设备中的用途；其特征在于，所述人造酶是将钌团簇均匀稳定地锚定在Ni-MOF上制得；并且，所述人造酶采用下述制备方法制得：将钌盐溶液和Ni-MOF分散液混匀，于25～40℃反应10～14小时；然后收集沉淀并经洗涤干燥制得所述人造酶；其中，所述钌盐和Ni-MOF中Ni的摩尔比为：1：5～40。

2.根据权利要求1所述的负载钌团簇的金属有机框架人造酶在制备能够实现过氧化氢清除和/或产氧材料、过氧化氢清除和/或产氧设备中的用途，其特征在于，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶具有过氧化氢酶活性。

3.根据权利要求1或2所述的负载钌团簇的金属有机框架人造酶在制备能够实现过氧化氢清除和/或产氧材料、过氧化氢清除和/或产氧设备中的用途，其特征在于，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H₂O₂清除实验测试结果表明：pH=7～11，所述人造酶30分钟过氧化氢清除率为82~89%。

4.根据权利要求1或2所述的负载钌团簇的金属有机框架人造酶在制备能够实现过氧化氢清除和/或产氧材料、过氧化氢清除和/或产氧设备中的用途，其特征在于，所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的过氧化氢酶样H₂O₂浓度梯度实验测试结果表明：V _max=54.9 μMs^-1，K _m=483.6 mM；和/或：

所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶的TON值为2.21s^-1。

5.根据权利要求1所述负载钌团簇的金属有机框架人造酶在制备能够实现过氧化氢清除和/或产氧材料、过氧化氢清除和/或产氧设备中的用途，其特征在于，所述钌盐选自：RuCl₃•3H₂O、乙酰丙酮钌或醋酸钌。

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