CN116139936A - 一种碳酸酐酶人造酶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳酸酐酶人造酶及其制备方法和应用，属于人造酶的制备领域。本发明提供一种碳酸酐酶人造酶，所述人造酶由配体和锌盐通过水热法制得；其中，所述配体选自：1,4‑二(1H‑吡唑‑4‑基)苯，1,3‑二(1H‑吡唑‑4‑基)苯，2,7‑二(1H‑吡唑‑4‑基)萘，2,5‑二(1H‑吡唑‑4‑基)吡啶或2,7‑二(1H‑吡唑‑4‑基)芘。本发明所得人造酶具有较高的CA酶模拟活性，表现出优异的类CA反应动力学(V max :3.83µM s‑1，周转数(TON):5.97×10‑3 s‑1)，在所有报道的仿CA催化剂中具有超快和出色的活性。

Description

一种碳酸酐酶人造酶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种碳酸酐酶人造酶及其制备方法和应用，属于人造酶的制备领域。
背景技术
碳酸酐酶(CA)是一种普遍存在的锌金属酶，可催化CO2/HCO3 -的可逆相互转化。在人和动物血液中，碳酸酐酶是红细胞的主要蛋白质成分之一，其重要性和含量仅次于血红蛋白。
CA参与许多生理作用，如尿素生成、液体分泌、酸/碱平衡，从而调节pH值、产生胃酸，以及通过血液将二氧化碳从组织运输到肺部。到目前为止，CA在人体中存在16种不同的异构体，从hCA I到hCA XV，所有CA异构体的活性位点都以N3ZnOH配位环境中的二价锌为特征，其中锌呈现出具有三个组氨酸基团和一个氢氧根(或水)的四面体几何结构。此外，CO2的水化反应在所有水相CO2捕获和存储策略中都起着重要作用。碳酸酐酶家族可作为CO2水化催化材料，在工业领域用于碳捕集利用和储存(CCUS)。然而，天然CA在规模化应用中也存在一些固有的缺陷，例如从生物体中提取过程繁琐，成本昂贵，难以存储等。因此，开发碳酸酐酶人造酶对生物医学、临床治疗和二氧化碳分离都具有重要意义。
金属有机框架(MOFs)是无机-有机杂化多孔配位聚合物，被认为是模拟酶最合适的候选者。金属节点和有机连接体的多样性以及它们不同的配位方式形成了可设计、可定制的MOF结构。到目前为止，通过模拟不同酶中金属活性中心的结构，已经广泛构建了MOF仿生催化剂。
发明内容
本发明提供一种具有MOF结构的碳酸酐酶人造酶，其以1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯和锌盐为原料通过水热法制得；从配位结构上看，所得MOF的Zn节点与配体1,4-二(1H -吡唑-4-基)苯，H2BDP)呈四面体配位结构，而具有配位缺陷的三配位Zn成为关键的催化活性中心，可以进一步吸附一个水分子，这种仿生结构与天然酶活性中心高度相似，使所得人造酶具有较高的CA酶模拟活性。表现出优异的类CA反应动力学(V max : 3.83µM s-1，周转数(TON): 5.97 × 10-3s-1)，在所有报道的仿CA催化剂中具有超快和出色的活性。
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碳酸酐酶人造酶，其是由配体和锌盐通过水热法制得；所述配体选自：1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯，1,3-二(1H-吡唑-4-基)苯，2,7-二(1H-吡唑-4-基)萘，2,5-二(1H-吡唑-4-基)吡啶或2,7-二(1H-吡唑-4-基)芘。
进一步，所述配体和锌盐的摩尔比为：0.09～0.18 mmol：0.18～0.36 mmol。
进一步，所述锌盐选自：六水合硝酸锌Zn(NO3)2·6H2O、乙酸锌水合物Zn(OAc)2·2H2O、一水硫酸锌ZnSO4·H2O、乙酰丙酮锌Zn(C10H14O4)或氯化锌ZnCl2中的至少一种。
本发明要解决的第二个技术问题是提供上述碳酸酐酶人造酶的制备方法，所述制备方法为：以所述配体和锌盐为原料，通过水热法制得所述碳酸酐酶人造酶。
进一步，所述碳酸酐酶人造酶的制备方法为：先将所述配体和锌盐于溶剂中超声下溶解制得混合物，再向混合物中加入去离子水；之后于密闭条件下将混合物再次超声处理使体系混匀制得悬浮液；然后将所得悬浮液于80~140°C（优选为100°C）下加热处理6~36h（优选18小时）；自然冷却至室温后，经洗涤、过滤和干燥制得所述人造酶。
进一步，上述制备方法中，溶剂与去离子水的体积比为10：7～2；优选为10：7或5：1。
更进一步，上述制备方法中，当溶剂与去离子水的体积比为10：7，所得人造酶记作DW-CAB。
更进一步，上述制备方法中，当溶剂与去离子水的体积比为5：1，所得人造酶记作SW-CAB。
进一步，上述方法中，所述溶剂选自：DMF、DMSO或DMAc。
进一步，上述方法中，所述溶剂的用量为：每30mg配体，需要10mL溶剂。
进一步，上述方法中，自然冷却至室温后，抽滤，所得产物用DMF和丙酮（先用DMF清洗，再用丙酮）冲洗，并进行超声处理以去除无定形固体；最后通过抽滤收集晶体，真空干燥制得所述人造酶。
本发明要解决的第三个技术问题是指出所述碳酸酐酶人造酶在催化p-NPA水解、催化CO2/HCO3 -的可逆相互转化、CO2吸附中的用途。
本发明要解决的第四个技术问题是指出由配体和锌盐通过水热法制得的产物在碳酸酐酶人造酶中的用途，所述配体选自：1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯，1,3-二(1H-吡唑-4-基)苯，2,7-二(1H-吡唑-4-基)萘，2,5-二(1H-吡唑-4-基)吡啶或2,7-二(1H-吡唑-4-基)芘。
进一步，所述产物的制备方法为：先将所述配体和锌盐于溶剂中超声下溶解制得混合物，再向混合物中加入去离子水；之后于密闭条件下将混合物再次超声处理使体系混匀制得悬浮液；然后将所得悬浮液于80~140°C下加热处理6~36 h；自然冷却至室温后，经洗涤、过滤和干燥制得所述人造酶。
进一步，溶剂与去离子水的体积比为10：7～2；优选为10：7或5：1。
本发明要解决的第五个技术问题是提供一种提高碳酸酐酶人造酶的酶活性的方法，所述方法为：在制备所述人造酶的过程中构造介孔缺陷。
本发明的有益效果：
本发明以特定的配体如1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯和锌盐为原料通过水热法制得了一种碳酸酐酶人造酶（仿CA生物催化剂）；所得人造酶的Zn节点与配体(如1,4-二(1 H -吡唑-4-基)苯，H2BDP)呈四面体配位结构，而具有配位缺陷的三配位Zn成为关键的催化活性中心，可以进一步吸附一个水分子，这种仿生结构与天然酶活性中心高度相似，使所得人造酶具有较高的CA模拟活性。表现出优异的类CA反应动力学(V max : 3.83 µM s-1，周转数(TON): 5.97 × 10-3s-1)，在所有报道的仿CA催化剂中具有超快和出色的活性。
附图说明
图1 本发明DW-CAB与SW-CAB的合成方法示意图。
图2（a）DW-CAB双壁三维框架结构示意图；（b）交叉堆叠的配体示意图；（c）RBB结构示意图；（d）沿晶体学a, b轴观察到的DW-CAB晶体结构示意图。
图3（a）SW-CAB单壁三维框架结构示意图；（b）平行堆叠的配体示意图；（c）RBB结构示意图；（d）沿晶体学a, b轴观察到的SW-CAB晶体结构示意图。
图4（a）DW-CAB的TEM图；（b）DW-CAB的EDS元素映射图；（c）DW-CAB的粉末XRD图；（d）SW-CAB的TEM图；（e）SW-CAB的EDS元素映射图；（f）SW-CAB的粉末XRD图。
图5（a）DW-CAB的粒径分布图；（b）SW-CAB的粒径分布图；（c）DW-CAB的BET曲线图，插图为孔径分布图；（d）SW-CAB的BET曲线图，插图为孔径分布图。
图6（a）DW-CAB的晶格条纹图，插图为经过快速傅里叶变换后得到的晶格条纹图；（b）DW-CAB的晶格间距分析图；（c）SW-CAB的晶格条纹图，插图为经过快速傅里叶变换后得到的晶格条纹图；（d）SW-CAB的晶格间距分析图。
图7（a）DW-CAB表面的介孔图；（b）DW-CAB的TGA曲线图；（c）SW-CAB的TGA曲线图。
图8（a）DW-CAB和SW-CAB的XPS全谱图；（b） DW-CAB和SW-CAB的高分辨率N 1s谱图；（c）DW-CAB和SW-CAB的高分辨率Zn 2p谱图。
图9（a）空白对照组的吸光度随时间变化图；所示的误差条表示由三个独立测量得出的标准误差；（b）在仅有配体存在时p-NPA溶液的吸光度随时间变化图；所示的误差条表示由三个独立测量得出的标准误差；（c）50 mM HEPES缓冲溶液中p-NP的标准曲线图。
图10为DW-CAB和SW-CAB的仿CA生物催化性能：（a）DW-CAB和SW-CAB存在时催化体系402 nm处的吸光度随时间变化图；（b）DW-CAB和SW-CAB催化p-NPA的初始水解速率比较图；（c）以p-NPA为底物的DW-CAB的Michaelis - Menten动力学分析图；（d）以p-NPA为底物的SW-CAB的Michaelis - Menten动力学分析图。
图11（a）在402 nm处不同CA模拟生物催化剂存在时吸光度的时间依赖性结果图；（b）不同CA酶催化p-NPA水解的V 0 图；（c）本发明合成的CA生物催化剂的V 0 值和TON/K m 值与其他最近报道的生物催化剂的比较图。
具体实施方式
本发明以特定的配体如1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯和锌盐为原料通过水热法制得了一种具有MOF结构的碳酸酐酶人造酶（仿CA生物催化剂）；所得人造酶的Zn节点与配体(如1,4-二(1 H -吡唑-4-基)苯，H2BDP)呈四面体配位结构，而具有配位缺陷的三配位Zn成为关键的催化活性中心，可以进一步吸附一个水分子，这种仿生结构与天然酶活性中心高度相似，使所得人造酶具有较高的CA模拟活性。表现出优异的类CA反应动力学(V max : 3.83µMs-1，周转数(TON): 5.97 × 10-3s-1)，在所有报道的仿CA催化剂中具有超快和出色的活性。
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。
实施例 1双壁CA人造酶DW-CAB的制备
将1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯(H2BDP，0.090 mmol, 30 mg)和Zn(NO3)2·6H2O(0.24 mmol, 60 mg)在超声下溶解于10 ml DMF中，置于20 ml玻璃瓶中；后向混合物中加入7.0 ml去离子水。然后将小瓶密封，并将混合物再次超声处理15分钟制得悬浮液。所得悬浮液倒入水热内胆中在100°C下加热18小时；自然冷却至室温后，过滤掉无色晶体，所得产物用DMF (2次 × 15 ml)和丙酮(9次× 15 ml)冲洗10min，并进行2min超声处理以去除无定形固体；最后通过过滤收集晶体，在100°C下真空干燥5小时制得CA人造酶，记作DW-CAB。
实施例2单壁CA人造酶SW-CAB的制备
将H2BDP (0.090 mmol, 30 mg)和Zn(NO3)2·6H2O (0.24 mmol, 60 mg)在超声下溶解于10 ml DMF中，置于20 ml玻璃瓶中；然后向溶液中加入2.0 ml去离子水。然后将小瓶密封，并将混合物再次超声处理15分钟。所得溶液倒入水热内胆中在80°C下加热18小时。自然冷却至室温后，过滤掉无色晶体，用DMF (2 × 15 ml)和丙酮(9 × 15 ml)冲洗10 min，并进行短周期超声处理以去除非晶固体。通过过滤收集晶体，在100°C下真空干燥5小时制得CA人造酶，记作SW-CAB。
本发明中，DW-CAB与SW-CAB的合成方法示意图如图1所示。
图2a-d为DW-CAB的MOF结构模型，图3a-d为SW-CAB的MOF结构模型，由图可知，DW-CAB和SW-CAB具有相同的化学成分，是超分子异构体，但具有不同的孔结构和化学结构。在DW-CAB中，Zn2+离子与配体中的吡唑基团呈四面体配位几何结构；Zn2+离子与吡唑(pz)基团交替生成一维波浪形的RBB（RBB：由金属离子构成的连续的棒状结构）。每个BDP2−配体连接两个相邻的Zn(pz)2基团。BDP2−的中心苯环和外围吡唑环呈现一定的弯曲。相邻的BDP2−配体以纵横交错的方式排列，中心苯环重叠，形成双壁网络。在SW-CAB中，线性RBB通过BDP2−配体连接形成单壁排列。
试验例1 结构表征
通过高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像验证了DW-CAB和SW-CAB的颗粒形貌（图4a和4d）和晶体结构。DW-CAB和SW-CAB晶体的三维形态较为规则。能量色散X射线能谱(EDS)元素映射（图4b和4e）证实，Zn、N和C均匀分布在DW-CAB和SW-CAB上（图4c和4f）。
动态光散射(DLS)测量的DW-CAB和SW-CAB生物催化剂的平均粒径约为4μm，分散均匀（图5a和5b）。DW-CAB的比表面积(BET)为298.19 m2g−1（图5 c），低于SW-CAB的典型值(847.89 m2g−1)(图5 d)。SW-CAB的孔径分布以1.3 nm为中心，没有多余的孔隙（图5d插图）。DW-CAB的孔径分布除了与晶体结构相关的孔隙外，还通过连接邻近的孔隙扩大到6 nm，这表明在合成DW-CAB的过程中形成了更多的介孔和晶格缺陷（图5c插图）。
高分辨TEM观察到了DW-CAB与SW-CAB中明显的晶格条纹(图6a和6c)，经过快速傅里叶变换后进行晶格间距分析，发现其晶格间距分别为13.7 Å和6.0 Å(图6b和6d)，说明两种MOFs均具有长程有序的晶体结构，这与前文的X线衍射图(XRD)的结果一致，进一步证明两种MOF的成功合成。通过像差校正扫描透射电子显微镜(AC-STEM)进一步研究了DW-CAB的表面结构，DW-CAB表面明显存在大量大小不一的介孔（图7a），与BET中孔径分布一致。这可能导致表面积增加，活性位点暴露更多。此外，当烧结产物质量归一化时，配体损失的百分比与所述MOFs的缺陷呈负相关。热重分析(TGA)结果显示，DW-CAB在425℃以上的温度下失重较小（图7b和7c），这表明DW-CAB结构比SW-CAB结构存在更多的配体缺陷。
X射线光电子能谱(XPS)证实了DWCAB和SW-CAB的化学和电子结构(图8)。图8a为DW-CAB与SW-CAB的XPS全谱。对Zn 2p轨道进行了高分辨率XPS谱分析（图8c），在1021.07和1044.18 eV处有两个峰，分别对应DW-CAB和SW-CAB中Zn形态的2p3/2和2p1/2电子态。Zn在两种MOF中2p3/2 (1021.07 eV)的结合能低于标准ZnO (1022 eV)，进一步证实了Zn离子与配体之间存在相互作用。N 1s峰出现在398.38 eV和399.08 eV，对应于H2BDP中与Zn配位的吡啶N和吡咯N（图8b）。值得注意的是，与SW-CAB相比，DW-CAB的N 1s谱和Zn 2p谱没有出现明显的峰偏移，这表明两种生物催化剂的金属离子与配体之间的电荷转移没有明显差异。
试验例2 活性测试
在对生物催化剂的化学结构和Zn-N催化中心进行验证后，进一步研究了它们的类酶催化性能。由于对硝基苯乙酸酯(p-NPA)的水解反应类似于CO2的水化反应，p-NPA作为着色底物是研究材料类CA活性的常用方法。当p-NPA催化生成对硝基苯酚（p-NP）时，在紫外可见光（UV-vis）光谱中呈现亮黄色，在402 nm处有一个吸收峰。在无催化剂的相同条件下进行空白对照(图9a)，目的是消除p-NPA自分解的影响。由于此前有报道组氨酸残基的咪唑部分也具有酯酶样活性，做了配体对照实验，结果表明在等效浓度下，游离吡唑配体没有表现出催化活性(图9b)，说明Zn-N配位结构是催化活性的唯一来源。为了便于后续催化速率的计算，首先使用了已知量的p-NP在50 mM HEPES（N-2-羟乙基哌嗪-N'-2-乙磺酸）溶液中制备校准曲线(图9c)。
活性测试方法：
（1）制备p-NPA溶液：每7.25mg p-NPA先用1mL乙腈充分溶解，再加入50mM HEPES缓冲液20 ml，得到2mM p-NPA溶液。
（2）p-NPA水解测试：5mL 500 μg/mL催化剂分散液先在37℃水浴中孵育5min，然后加入5mL 2mM p-NPA溶液，每1 min记录一次402 nm处的吸光度值，直至10 min。生物催化剂和底物的最终浓度分别为250 μg/mL, 1mM。
稳态动力学测试：
为了分析p-NPA水解的催化动力学，将250 μg/mL生物催化剂和不同浓度的p-NPA(分别为0.5, 0.8, 1, 1.5, 2, 2.5, 3和4 mM)混合在 HEPES (pH=7.4, 50mM)中，得到10mL，然后每1 min测量p-NP浓度，直到5 min。将反应速率与相应的p-NPA浓度进行绘制，然后拟合Michaelis-Menten曲线（公式1），式1中V为不同底物浓度时计算得到的催化速率。此外，用线性双倒数图（Lineweaver-Burk图，公式2）确定最大反应速度(V max )和米氏常数(K m )。另外，根据式3计算周转数(TON，单位活性催化中心最大转化底物数)。[S]为p-NPA的浓度，[E 0 ]为材料中金属的摩尔浓度，K cat 与TON意义相同。
Figure SMS_1
(1)
Figure SMS_2
(2)
Figure SMS_3
(3)
图10a为酶标仪测得的DW-CAB和SW-CAB存在时催化体系402 nm处的吸光度随时间变化曲线。由于p-NP浓度与402 nm处吸光度呈线性关系，本发明根据校准曲线计算并比较了两种生物催化剂的初始催化速率(V 0 )(图10b)。可以看出DW-CAB (V 0 =445.16 nM s-1)的初始催化速率是SW-CAB (V 0 =198.59 nM s-1)的两倍多。研究了DW-CAB和SW-CAB的稳态动力学参数，进一步揭示了p-NPA对其类CA活性的影响(图10c和10d)。
此外，本发明还合成了其他具有类CA活性的典型MOF材料作为比较样品，包括ZIF-8、ZIF-67、Uio-66和ZnTaz-5，对比研究了本发明实施例1的DW-CAB的催化活性。用上述类似的实验方法测定了这些材料的酯酶活性和动力学参数（图11a和11b）。然后，系统地比较了DW-CAB与最近报道的仿CA材料，如ZIF系列、ZnTaz系列等的V 0 和TON/K m (K cat /K m )，结果清楚地表明DW-CAB在这些现有的生物催化剂中表现出最好的CA活性（图11c），不同材料酯酶活性和动力学参数的比较见表1。
表1：不同材料催化活性及动力学参数的比较
Figure SMS_4
参考文献：
1. Chen, J.; Huang, L.; Wang, Q.; Wu, W.; Zhang, H.; Fang, Y.; Dong,S., Bio-inspired nanozyme: a hydratase mimic in a zeolitic imidazolateframework. Nanoscale 2019, 11 (13), 5960-5966.
2. Zhang, X.; Yang, C.; An, P.; Cui, C.; Ma, Y.; Liu, H.; Wang, H.;Yan, X.; Li, G.; Tang, Z., Creating enzyme-mimicking nanopockets in metal-organic frameworks for catalysis. Sci Adv 2022, 8 (40), eadd5678.
3. Jin, C.; Zhang, S.; Zhang, Z.; Chen, Y., Mimic Carbonic AnhydraseUsing Metal-Organic Frameworks for CO2Capture and Conversion. Inorg. Chem2018, 57 (4), 2169-2174.
由上述分析可知，本发明以特定的配体如1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯和锌盐为原料通过水热法制得了一种碳酸酐酶人造酶；所得人造酶的Zn节点与配体(1,4-二(1 H -吡唑-4-基)苯，H2BDP)呈四面体配位结构，而具有配位缺陷的三配位Zn成为关键的催化活性中心，可以进一步吸附一个水分子，这种仿生结构与天然酶活性中心高度相似，使所得人造酶具有较高的CA模拟活性。表现出优异的类CA反应动力学(V max : 3.83µM s-1，周转数(TON):5.97 × 10-3s-1)，在所有报道的仿CA催化剂中具有超快和出色的活性。并且，本发明发现，在制备所述人造酶的过程中可通过构造介孔缺陷提高CA酶活性；这是由于：介孔缺陷可以提高本发明所述CA人造酶的催化速率，且从BET测试中孔径分布可以看出，SW-CAB只具有与MOF本身结构有关的孔结构，主要集中在1.3nm左右；而DW-CAB在保持其本身的框架结构的同时，具有大量的2-6 nm范围内的介孔缺陷；TGA测试也证明了DW-CAB有更多的缺陷；两种MOF粒径基本一致，DFT理论计算表明DW-CAB与SW-CAB细微的结构差异并不会影响活性，因此得出结论：DW-CAB在合成过程中形成的介孔结构有利于形成更多带有配位缺陷的Zn活性中心，吸附更多的水分子，介孔结构促进了底物分子的扩散和吸附，从而提高了活性。

Claims (8)

1.一种碳酸酐酶人造酶，其特征在于，所述人造酶由配体和锌盐通过水热法制得；其中，所述配体选自：1,4-二(1H-吡唑-4-基)苯，1,3-二(1H-吡唑-4-基)苯，2,7-二(1H-吡唑-4-基)萘，2,5-二(1H-吡唑-4-基)吡啶或2,7-二(1H-吡唑-4-基)芘。
2.根据权利要求1所述的一种碳酸酐酶人造酶，其特征在于，所述配体和锌盐的摩尔比为：0.09～0.18 mmol：0.18～0.36 mmol；
所述锌盐选自：六水合硝酸锌、乙酸锌水合物、一水硫酸锌、乙酰丙酮锌或氯化锌中的至少一种。
3.权利要求1或2所述碳酸酐酶人造酶的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：以所述配体和锌盐为原料，通过水热法制得所述碳酸酐酶人造酶。
4.根据权利要求3所述碳酸酐酶人造酶的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：先将所述配体和锌盐于溶剂中超声下溶解制得混合物，再向混合物中加入去离子水；之后于密闭条件下将混合物再次超声处理使体系混匀制得悬浮液；然后将所得悬浮液于80~140°C下加热处理6~36 h；自然冷却至室温后，经洗涤、过滤和干燥制得所述人造酶。
5.根据权利要求4所述碳酸酐酶人造酶的制备方法，其特征在于，所述溶剂与去离子水的体积比为10：7～2。
6.根据权利要求5所述碳酸酐酶人造酶的制备方法，其特征在于，所述溶剂与去离子水的体积比为10：7或5：1；
所述溶剂选自：DMF、DMSO或DMAc。
7.碳酸酐酶人造酶在催化p-NPA水解、催化CO2/HCO3 -的可逆相互转化、CO2吸附中的用途；其特征在于，所述人造酶为权利要求1或2所述的人造酶，或为采用权利要求4～6任一项所述的制备方法制得的人造酶。
8.一种提高碳酸酐酶人造酶的活性的方法，其特征在于，所述方法为：在制备所述碳酸酐酶人造酶的过程中构造介孔缺陷。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080121105A1 (en) * 2006-11-24 2008-05-29 Basf Aktiengesellschaft Method for the separation of carbon dioxide using a porous metal-organic framework material
CN107899545A (zh) * 2017-11-28 2018-04-13 四川大学 一种球状CSNS‑Amine纳米结构CO2吸附剂的制备方法
CN108610281A (zh) * 2018-05-03 2018-10-02 天津师范大学 三维多孔结构的锌配合物及其合成方法和应用
JP2020032325A (ja) * 2018-08-28 2020-03-05 Ｊｆｅエンジニアリング株式会社 金属有機構造体層を有する選択性複合ガス透過膜およびその作製方法
WO2020060887A2 (en) * 2018-09-19 2020-03-26 The Regents Of The University Of California Enzyme-inspired metal-organic framework
CN113769783A (zh) * 2021-10-15 2021-12-10 河北工业大学 一种竹节状核壳光热催化剂的制备方法
CN113801335A (zh) * 2021-09-18 2021-12-17 江苏师范大学 一种具有二氧化碳催化转化应用的金属-有机框架材料及其制备方法与应用
CN113943424A (zh) * 2021-10-11 2022-01-18 三峡大学 一种仿碳酸酐酶的金属有机骨架材料及其制备方法和应用
CN115957820A (zh) * 2022-12-21 2023-04-14 广西大学 一种多重氨基酸修饰zif-8的仿生酶材料的制备方法与应用

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080121105A1 (en) * 2006-11-24 2008-05-29 Basf Aktiengesellschaft Method for the separation of carbon dioxide using a porous metal-organic framework material
CN107899545A (zh) * 2017-11-28 2018-04-13 四川大学 一种球状CSNS‑Amine纳米结构CO2吸附剂的制备方法
CN108610281A (zh) * 2018-05-03 2018-10-02 天津师范大学 三维多孔结构的锌配合物及其合成方法和应用
JP2020032325A (ja) * 2018-08-28 2020-03-05 Ｊｆｅエンジニアリング株式会社 金属有機構造体層を有する選択性複合ガス透過膜およびその作製方法
WO2020060887A2 (en) * 2018-09-19 2020-03-26 The Regents Of The University Of California Enzyme-inspired metal-organic framework
CN113801335A (zh) * 2021-09-18 2021-12-17 江苏师范大学 一种具有二氧化碳催化转化应用的金属-有机框架材料及其制备方法与应用
CN113943424A (zh) * 2021-10-11 2022-01-18 三峡大学 一种仿碳酸酐酶的金属有机骨架材料及其制备方法和应用
CN113769783A (zh) * 2021-10-15 2021-12-10 河北工业大学 一种竹节状核壳光热催化剂的制备方法
CN115957820A (zh) * 2022-12-21 2023-04-14 广西大学 一种多重氨基酸修饰zif-8的仿生酶材料的制备方法与应用

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHAONAN JIN ET AL.: ""Mimic Carbonic Anhydrase Using Metal−Organic Frameworks for CO2 Capture and Conversion"", 《INORGANIC CHEMISTRY》, vol. 57, no. 4, pages 1 - 3 *
TAO HE ET AL.: ""Trace removal of benzene vapour using double-walled metal-dipyrazolate frameworks"", 《NATURE MATERIALS》, vol. 21, pages 696 *
沈意: ""缺陷化金属有机骨架材料的合成及其污染控制应用"", 《科学通报》, vol. 66, no. 23, pages 2943 - 2957 *

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