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Hb/Ag@ZIF-8电极的制备，表征及电催化性能研究

摘要：本文采用溶剂热多元醇法，以聚乙烯吡络烷酮和A-sigma为原料合成了Ag@ZIF-8核壳的纳米线，以此作为固酶载体，制备了固酶复合物修饰电极。通过电化学法、超声波法研究纳米复合物的光谱学特征，借助电化学手段，探究固酶纳米复合物载体与漆酶之间的相互作用，研究了固酶电极的直接电化学和催化氧气还原性能。实验结果表明：

关键词 ：聚乙烯吡络烷酮；A-sigma；Ag@ZIF-8；固酶电极

 

目 录

1 引言 1

2 实验仪器与药品 3

2.1 实验仪器 3

2.2 实验药品 3

3 实验过程 4

3.1 聚吡咯-ABTS纳米复合物的合成 4

3.2 固酶纳米复合物电极的制备 4

3.3 表征 4

3.4 固酶电极的直接电化学 4

3.5 固酶电极的催化氧还原性能 5

4 结果与讨论 6

4.1 固酶纳米复合物的表征 6

4.1.1 红外光谱表征 6

4.1.2 紫外光谱表征 7

4.2 固酶电极的直接电化学 8

4.3 固酶电极的催化氧还原性能 11

5 结论 12

致谢 15

 

1引言

生物燃料电池(biofuel cells,BFCs)是一种以微生物或酶作为催化剂的特殊的燃料电池[1]，它可用于医学设备、芯片以及电子设备电池等，甚至在现如今的环保技术也是可以涉及到的，成为现人们所关注的一个热点话题之一[2]。首先，从它作为电池来看，其由一个阳极和一个阴极组成，电极之间有很强选择性的离子交换膜[1]。在BFCs中，就如同在活的生物体中一样，有机物质的氧化与电子受体的还原是耦合的。当有机材料和电子受体之间的氧化还原电位足够高，并且氧化还原反应通过一对电极耦合，电子流就可以用来产生功；在作为生物催化剂时，生物燃料电池可以包含微生物或酶，它们利用来自体液的有机基质，如木质纤维素、生物废料或葡萄糖等等，氧化它们并将电子转移到阳极，在阴极漆酶又是一种具有高氧化还原电位的有吸引力的生物催化剂，它可以从阴极直接将电子转移到氧等，从而提高BFC的性能[3]。当其应用于医学领域时，生物燃料电池的生物相容性以及在温和的温度下和pH2-4的条件下工作，微型纱生物燃料电池电极可以可以很容易地应用于各种生物医学领域的针或导管形状，然而植入人体的材料以及装置在保证人们可以长期无障碍生活就对其生物安全性和生物相容性有很高的要求[4]，因此生物燃料电池（BFC）又被认为是最合适的替代现有用于植入生物医学设备的能源的候选材料之一[5]。它能够通过和人体内的葡萄糖、氧气相结合,帮助被移植在人体中的人造的器官产生电能[6]。在发展越来越快的时代，环保技术为至关重要的技术，全球能量需求的日益增长，人类对化石燃料的需求明显增加，但是大量消耗化石燃料所引发的环境污染温室效应成为了人们头疼的问题，因此开发环保技术，特别是使用既不需要也不产生有毒化合物的酶生物催化剂，目前具有很大的工业价值[3]。酶生物燃料电池的诞生有助于解决这一系列问题。酶生物燃料电池是可以直接利用生物酶与半导体或导体电极组装在一起，利用生物酶催化有机染料反应，直接把化学能转化为电能的一种新型燃料电池。使得酶生物燃料电池的应用前景十分广泛，这些年来酶生物燃料电池组件成为能源研究领域的热点[7]。

现如今半导体纳米线在新一代光电子材料与器件领域具有广阔的应用前景，已经成为国内外研究的热点之一，受到了研究机构密切关注和深入的研究[8]。而金属纳米粒子是由新型金属组成的，由于其形状和大小的特点，在医学鉴定、催化、传感器、光学和电子学等领域也有着重要的应用。一般来说，由于表面等离子体共振吸收特性，贵金属纳米粒子对半导体的表面修饰使半导体的吸收从紫外光扩展到可见光区域，提高了电子-空穴对的分离，从而提高了光催化反应的速率。贵金属纳米粒子在可见光下表现出强而宽的表面等离子体共振（SPR）吸收，这是由于它们的导带电子通过吸收可见光而集体振荡的结果。通过改变贵金属纳米颗粒的形状和尺寸，可以调节SPR带的频率，从而大大提高可见光吸收率，并可用于开发高效的可见光等离子体光催化剂。在等离子体光催化剂中，贵金属纳米颗粒沉积在半导体表面，金属纳米颗粒由于其表面等离子体共振而成为收集可见光的元件，而金属-半导体界面有效地分离了光生电子和空穴[9]。在本文中银纳米粒子（Ag NPs）就是一种典型的金属纳米材料[10]。金属有机骨架材料(MOFs),是一类以金属阳离 子或金属离子簇为节点,有机配体为连接体构成的具 有周期性网络结构的新型多孔材料,是当前新功能材 料领域的研究热点[11]，在气体储存、平衡、多铁学、永恒催化、药物输送和传感器等领域的应用得到了广泛的研究[12]，是一类由金属或金属团簇节点与多齿有机连接体连接而成的三维晶体微/介孔杂化材料，已显示出多种应用前景[13]。其潜在的结构及功能多样性，拥有较大的孔隙率 和比表面积、晶体结构均一、孔道尺寸容易控制改变等优点[14]，其由金属离子或离子簇与有机配体通过化合键合作用自组装形成[15]。事实上强大的金属-氧键赋予了该框架特殊的坚固性，即使在除去合成过程中加入的溶剂分子后，该框架也不会坍塌。其结果是一种具有低密度和高比表面积的晶体结构。设计MOF的关键在于将金属羧酸亚基组装为框架的节点，并在所需的网络拓扑中组装有机连接物。可用于合成的各种有机配体和金属离子为设计具有所需孔径和金属中心的一系列网络提供了机会。在这些配位聚合物发展之前，比表面积最大的晶体材料是沸石，它具有最大的Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积[16]。MOFs及其衍生物是一种非常有潜力的锂离子电池电极材料[17]。以现有金属有机骨架复合材料为基础，将更多种类的金属有机骨架应用于复合材料的制备，进而调控复合材料的综合性能，以满足各种不同的需求，已成为现阶段化学与材料科学研究的前沿之一[15]。

血红蛋白(Hemoglobin或haemoglobin:HB或HGB)是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质。是红细胞中唯一一种非膜蛋白。由红蛋白由四条链即四个亚基组成，分别为两条α链/亚基和两条β链/亚基，每一条链有一个包含一个铁原子的环状血红素。氧气结合在铁原子上，被血液运输。血蛋白的特性是：在氧含量高的地方，容易与氧结合；在氧含量低的地方，又容易与氧分离。血红蛋白的这一特性是红细胞具有运输氧的功能[18]。因此，本文展开了以聚乙烯吡络烷酮为固酶载体，有机金属骨架为介体，合成纳米复合物固载漆酶，探究漆酶与纳米复合物各组分之间的相互影响以及电化学性能。

 

参考文献

[1]. 桂君与吴国志, 酶型生物燃料电池的研究进展. 山东化工, 2019. 48(13): 第58-59,61页.

 [2]. High-power hybrid biofuel cells using layer-by-layer assembled glucose oxidase-coated metallic cotton fibers.

 [3]. Improving the performance of a biofuel cell cathode with laccase-containing culture supernatant from Pycnoporus sanguineus.

 [4]. 吕晓迎, 生物电子学领域中的生物材料与生物相容性研究. 中国材料进展, 2010. 29(12): 第27-34页.

 [5]. Mediator-free carbon nanotube yarn biofuel cell.

 [6]. 张雯雯, 李峰与许明先, 生物燃料电池的研究进展探析. 山东工业技术, 2017(11): 第268页.

 [7]. 肖栋, 蛋白质与碳纳米管相互作用的机理研究, 2015, 重庆大学. 第 89页.

 [8]. 曾丽娜, Research Progress on GaAs/InGaAs Heterostructure Nanowires Directional Epitaxy Growth. Optoelectronics, 2020. 10(01): p. 8-17.

 [9]. Tseng, H. and Y. Chen, Facile Synthesis of Ag/TiO2 by Photoreduction Method and Its Degradation Activity of Methylene Blue under UV and Visible Light Irradiation. Modern Research in Catalysis, 2020. 09(01): p. 1-19.

[10]. Shameli, K., et al., Synthesis and characterization of silver/talc nanocomposites using the wet chemical reduction method. Int J Nanomedicine, 2010. 5: p. 743-51.

[11]. 崔继方与崔文权, 金属有机骨架材料在光催化领域的应用研究进展. 陶瓷, 2019(11): 第65-70页.

[12]. Das, R., et al., Metal and metal oxidenanoparticle synthesis from metal organic frameworks (MOFs): finding the border of metal and metal oxides. Nanoscale, 2012. 4(2): p. 591-599.

[13]. Metal – Organic Frameworks (MOFs.

[14]. 金属有机框架材料分离碳四烃的研究进展_刘伟.

[15]. 吴奇桐, 金属有机骨架与金属纳米粒子复合材料的制备与应用. 化工管理, 2018(28): 第43-44页.

[16]. Hirscher, M. and B. Panella, Hydrogen storage in metal–organic frameworks. Scripta Materialia, 2007. 56(10): p. 809-812.

[17]. 李震东等, MOFs及其衍生物作为锂离子电池电极的研究进展. 储能科学与技术, 2020. 9(01): 第18-24页.

[18]. 彭言峰, 牛血红蛋白单克隆抗体的制备及其检测试剂盒研制, 2016, 吉林大学. 第 48页.