ZIF-8基仿生碳酸酐酶構建及對CO2高效礦化

劉清, 劉奇, 潘琦, 李國印, 王睿猛, 宋明新, 李俊儀, 周利琴, 趙禎霞, 趙鐘興*

(1.廣西大學 化學化工學院, 廣西 南寧 530004;2.廣西高校低碳綠色化工新技術重點實驗室, 廣西 南寧 530004)

0 引言

隨著全球工業化的不斷發展,化石燃料的過度消耗使得大氣中CO2排放量大幅增加,溫室效應不斷加劇導致頻繁發生自然災害,并引發一系列社會和生態問題[1]。CO2的環境處理過程主要由CO2的捕獲、儲存和利用等3個部分組成,提高CO2利用效率一直備受科研工作者的關注[2]。在各種CO2捕獲再利用方法中,生物利用法因能耗低和使用條件溫和等原因而被廣泛研究,這其中碳酸酐酶催化CO2轉化是研究的熱點。碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)是目前已報道具有最高CO2催化轉化活性的生物酶,其能催化CO2與水合成碳酸氫根和質子,從而實現對環境中CO2的捕獲[3]。

碳酸酐酶作為生物酶受限于pH值敏感性高、熱和化學穩定性低、價格高昂和難以回收等問題而使其工業應用困難,為此,很多研究者嘗試基于碳酸酐酶活性中心結構合成仿生碳酸酐酶納米酶,利用納米材料本身的高結構穩定性、利于回收和價格較低廉的優勢開展CO2催化轉化利用研究。例如,Jin等[4]基于碳酸酐酶活性中心Zn與組氨酸的配位結構,合成了一種新型碳酸酐酶金屬有機框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)(Zn)納米酶,該材料具有良好的酯酶催化性能,對CO2的速率達2.14 μmol/min。Liang等[5]同樣也基于碳酸酐酶活性中心結構,合成了一種由Zn三唑配位聚合物構成的碳酸酐酶納米酶,也實現了對CO2的高效催化轉化,其速率達到4.43 μmol/min。雖然目前的研究通過對碳酸酐酶的仿生實現了對CO2的高效轉化,但是目前合成的碳酸酐酶納米酶與天然碳酸酐酶相比其催化反應速率依然較低,而且關于合成后HCO3-的利用也沒有深入研究。如何提升碳酸酐酶納米酶的催化活性并進行深加工應用,從而實現對CO2的高效礦化再利用是目前該領域研究的熱點問題。

本文中以具有類碳酸酐酶活性中心結構的典型MOFs(Zn)材料ZIF-8為研究對象,將碳酸酐酶中常見的氨基酸天冬門氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)原位植入ZIF-8骨架中,合成具有高催化活性的碳酸酐酶仿生納米酶,并設計以碳酸酐酶納米酶為核心的CO2連續礦化裝置,實現了CO2的有效連續礦化。該工作為開展碳酸酐酶仿生納米酶連續高效分離礦化CO2的工業化應用提供有效的理論數據。

1 實驗

1.1 試劑及儀器

試劑:六水合硝酸鋅、2-甲基咪唑(美國 Sigma-Aldrich 公司);L-天門冬氨酸、L- 谷氨酸、氯化鈣、4-羥乙基哌嗪乙磺酸(上海阿拉丁試劑有限公司);三乙胺(上海薩恩化學技術有限公司);無水甲醇、無水乙醇(廣東光華科技有限公司);氫氧化鈉、N,N-二甲基甲酰胺、乙腈(國藥集團化學試劑有限公司);乙酸對硝基苯酯(上海麥克林生化有限公司);高純氮氣、二氧化碳(純度為99.999%,廣西空分氣體有限公司),石英砂(粒徑為0.5～1 mm,廣西中硅新型材料有限公司),試劑均為分析純。

儀器:臺式高速離心機(TG16G型,湖南凱達科學儀器有限公司);pH計(PHS-3E型,上海儀電科學儀器股份有限公司);掃描電子顯微鏡(Hitachi SU8220型,日本日立公司);X射線衍射儀(SMARTLAB3KW型,日本理學公司);核磁共振儀(Bruker ARX-400 NMR型,德國布魯克技術有限公司);比表面積和孔徑分析儀(ASAP2450型,美國麥克有限公司);紫外可見分光光度儀(TU-1901型,北京普析通用儀器有限公司);熱重分析儀(TGA/DSC 3+型,瑞士梅特勒-托利多公司)。

1.2 材料的合成

1.2.1 ZIF-8的制備

稱取1.504 g (5 mmol) Zn(NO3)2·6H2O和3.284 g (40 mmol) 2-甲基咪唑分別溶于70.8 mL甲醇中,然后將Zn(NO3)2·6H2O的甲醇溶液滴入2-甲基咪唑的甲醇溶液中。在30 ℃下反應24 h,得到白色乳濁液。將白色乳濁液以轉速為7 000 r/min離心分離8 min,用甲醇洗3次,120 ℃下真空干燥12 h,得到白色粉末即為ZIF-8。

1.2.2 氨基酸修飾ZIF-8材料的制備

稱取0.744 g (2.5 mmol) Zn(NO3)2·6H2O溶于50 mL超純水中,再分別稱取 20 mmol的天門冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)于50 mL超純水中,加入三乙胺5.56 mL (40 mmol)使其溶解,然后加入1.641 g (20 mmol) 2-甲基咪唑。稱取2份0.744 g (2.5 mmol) Zn(NO3)2·6H2O分別溶于50 mL超純水中,將Zn(NO3)2·6H2O溶液滴入氨基酸和2-甲基咪唑的混合溶液中。在30 ℃下反應24 h,得到白色乳濁液。將白色乳濁液以傳速為7 000 r/min離心分離8 min,用甲醇洗3次,120 ℃下真空干燥12 h,得到白色粉末分別記為ZIF-Asp和ZIF-Glu。

1.3 材料酶活檢測

碳酸酐酶的活性通過酯酶法進行測定[6]。該方法以p-NPA為底物,利用仿生碳酸酐酶材料的酯酶活性催化p-NPA,p-NPA 在其催化作用下變成對硝基苯酚(p-NP)。p-NPA水解反應方程式為

因為p-NP在波長402 nm 處有1個特征吸收峰,因此反應特定時間后,以不加材料的溶液作為空白對照組,用紫外分光光度計測定溶液在402 nm處吸光度值隨時間的變化,以此計算p-NP的濃度隨時間的變化,進而推算材料的催化活性。具體步驟:量取26.7 mL緩沖溶液(濃度為0.1 mol/L, pH=8.5 HEPES Buffer溶液),加入3 mL的ZIFs溶液(濃度為0.7 mmol/L,溶劑為DMF)和0.3 mL的p-NPA溶液(濃度為50 mmol/L,溶劑為乙腈),測定室溫下反應時間分別為1、3、5、10、15、20、25、30 min時,反應體系在402 nm處的吸光度值,再利用p-NPA的吸光度—濃度標準曲線(濃度為0.434 8～10.345 2 μmol/L)計算對應的濃度,計算公式為

yt=115.923 1xt-0.797 6,R2=0.999 8,

(1)

式中:yt為t時刻p-NP的濃度,μmol/L;xt為t時刻p-NP的吸光度值。

1.4 CO2的礦化

依次將合成的碳酸酐酶納米酶ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu按照質量比為1∶10與石英砂混合裝填成柱[尺寸為18 mm×200 mm(內徑×長度)]制備CO2連續礦化裝置(圖1)。

1-CO2氣瓶;2-緩沖溶液瓶;4-預混合瓶;3、6、9、12-蠕動泵;5-細化器;7-催化柱;8-CaCl2溶液瓶;10-反應瓶;11-磁力攪拌器;13-收集瓶;14-氣體流量計;15～23-節流閥;24-泄壓閥。

在裝置開啟前,先利用CO2氣瓶1輸送CO2進入裝置內通氣30 min,排除空氣后關閉進氣閥,然后通過蠕動泵3將緩沖溶液瓶2中的HEPES緩沖液(pH=8.5,濃度為0.1 mol/L)輸送至預混合瓶4中加至2/3處。之后正式開始實驗,CO2氣瓶1以體積流量90 mL/min的速率輸送CO2至預混合瓶4中與緩沖液進行預混合,同時利用蠕動泵3為預混合瓶4進料,蠕動泵6將氣液混合物輸送進入催化柱7(碳酸酐酶石英砂按照質量比為1∶10混合裝料)進行轉化反應。反應后的氣液混合物流入反應瓶10,與蠕動泵9輸送來的CaCl2溶液瓶8中濃度為0.4 mol/L的CaCl2溶液混合,并在磁力攪拌器11的作用下進行攪拌混合反應,反應瓶10中混有生成的碳酸鈣晶體顆粒的溶液通過蠕動泵12輸送到收集瓶13,反應1 h后停止。收集液布氏漏斗過濾、乙醇洗滌后干燥稱重,對濾液進行后處理,向濾液中加入濃度為0.5 mol/L的NaOH溶液進行中和,使其pH維持在8.5左右,所得的緩沖溶液再進入體系中進行循環利用。 通過計算CO2通入反應體系的質量與生成產物的質量之比,可以得到反應體系中CO2的轉化率,即

(2)

式中:η為CO2的轉化率,%;P為實驗環境大氣壓,Pa;Q為CO2的體積流量,m3/h;M為CO2的相對分子質量,g/mol;R為摩爾氣體常量,R=8.314 J/(mol·K);T為實驗環境溫度,K;m為所得產品的質量,g。

2 結果與討論

2.1 材料表征

2.1.1 掃描電鏡(SEM)

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的SEM圖像如圖2所示。由圖2(a)可知,ZIF-8表面光滑,大小均勻,呈現規則且均勻的十二面體結構,晶粒尺寸大小為50 nm左右。由圖2(b)、(c)可知,經過Asp、Glu修飾后,ZIF-8晶體形貌較為不規整且晶粒尺寸明顯增大,說明不同種類氨基酸的摻雜在不同程度上影響ZIF-8的成核速率,從而進一步影響ZIF-8晶體的生長[7]。

(a) ZIF-8

2.1.2 X射線衍射(XRD)

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的XRD譜圖如圖3所示。由圖3可知,在2θ分別為7.5°、10.5°、12.9°、14.8°、16.6°、18.2°時分別對應ZIF-8的(011)、(002)、(112)、(002)、(013)、(222)晶面,證明了ZIF-8的成功合成[8]。經過氨基酸修飾后的ZIF-Asp、ZIF-Glu與ZIF-8具有相同的衍射圖譜,說明經過氨基酸修飾后ZIF-Asp、ZIF-Glu依然保持原有ZIF-8的拓撲結構和近似的單元參數[9],但ZIF-Asp、ZIF-Glu的(011)晶面的衍射峰強度明顯降低,說明Asp、Glu的摻雜抑制ZIF-8晶體(011)晶面的生長,導致結晶度下降。

2.1.3 N2等溫吸附-脫附分析

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的N2吸附-脫附等溫曲線如圖4所示。由圖4可見,ZIF-8的N2吸附等溫線在相對壓力p/p0<0.01范圍內吸附量隨著壓力的增大迅速增大,無滯后現象,且隨著相對壓力的不斷增大,吸附量曲線呈現水平狀,符合Ⅰ型等溫線特征,表明ZIF-8均為典型的微孔結構材料[10]。經氨基酸修飾后,ZIF-Asp、ZIF-Glu的吸附等溫線不僅在相對壓力p/p0<0.01范圍內吸附量急劇上升,且在相對壓力p/p0為0.01～0.20范圍內吸附量具有平緩上升趨勢,表明經氨基酸修飾后樣品中產生介孔結構。

圖4 ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的N2吸附-脫附等溫曲線Fig.4 N2 adsorption-desorption curves of ZIF-8, ZIF-Asp, ZIF-Glu

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的比表面積和孔結構參數見表1。從表1可見,ZIF-8的比表面積為1 420 m2/g且以微孔為主,而ZIF-Asp、ZIF-Glu的比表面積顯著減小,分別為765、662 m2/g,并且2個樣品的介孔比表面積和介孔體積明顯增大,與圖4的N2吸附-脫附等溫曲線結論一致。導致ZIF-Asp、ZIF-Glu存在缺陷孔的原因可能是Asp、Glu上的羧基無法與Zn2+產生強配位作用,從而導致骨架中存在部分單臂配位而產生缺陷介孔[11],這些暴露出的介孔將會強化納米酶所形成缺陷Zn簇的催化活性[12],而且還有利于CO2在納米酶中的擴散[13]。

表1 不同樣品的比表面積和孔結構參數Tab.1 Surface area and pore textural parameters of different samples

2.1.4 核磁共振波譜(1H-NMR)

為了進一步證實氨基酸對ZIF-8的修飾作用,對所有材料進行1H-NMR光譜分析。ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的1H-NMR譜圖如圖5所示。從圖5可見,化學位移δ(11.6)歸屬于溶劑峰CF3COOD,化學位移δ(2.8、7.4)的共振峰分別歸屬于2-甲基咪唑的甲基和次甲基。在ZIF-Asp的1H-NMR譜圖中化學位移δ(4.9、3.8)處出現了Asp的α-H和β-H的共振峰,化學位移δ(8.8)的共振峰歸屬于Asp中的氨基。在ZIF-Glu的1H-NMR譜圖中化學位移δ(5.0、3.6、3.4)處分別出現了Glu的α-H、β-H和γ-H的共振峰,化學位移δ(8.7)的共振峰歸屬于Glu中的氨基,以上結果說明Asp和Glu被成功植入ZIF-Asp、ZIF-Glu骨架中。

2.1.5 熱重分析

ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的熱重分析(thermo gravimetric analyzer, TGA)曲線如圖6所示。從圖6可見,ZIF-8的失質量分為2個階段:第1階段為180～420 ℃,失質量原因是ZIF-8在制備過程中吸附的水分或其他客體分子分解[14],失質量分數為10.7%;第2階段為420～800 ℃,主要是有機配體發生分解,造成ZIF-8骨架結構坍塌[15]。ZIF-Asp、ZIF-Glu的失質量曲線與ZIF-8相似,但ZIF-Asp、ZIF-Glu具有更高的熱穩定性溫度(425、443 ℃),說明氨基酸修飾的材料也具有較高的熱穩定性。而ZIF-Asp、ZIF-Glu的第1階段失質量分數明顯大于ZIF-8(16.3%和17.5%),可能是Asp、Glu的摻雜使ZIF-8暴露了更多的缺陷位,從而更利于水的吸附所致[11]。這些結果進一步驗證Asp、Glu的修飾沒有改變ZIF-8的骨架結構,并且結合水含量結果說明極性增加,更有利于CO2的吸附。

圖6 ZIF-8、ZIF-Asp、ZIF-Glu的TGA曲線Fig.6 TGA curves of ZIF-8, ZIF-Asp, ZIF-Glu

2.2 碳酸酐酶仿生酶催化礦化性能測定

2.2.1 碳酸酐酶仿生酶催化活性測定

碳酸酐酶仿生酶催化活性測定結果如圖7所示。

(a) 催化動力學曲線

采用酯酶法對ZIF-8、ZIF-Asp和ZIF-Glu的酶活性能進行測定,結果如圖7(a)所示?；谑?1)計算不同納米酶催化p-NPA水解為p-NP過程中,體系中p-NP的濃度隨時間的變化,通過擬合取反應30 min內催化動力學曲線得到不同納米酶的催化初速率,結果如圖7(b)所示。從圖7(b)中可見,ZIF-Asp、ZIF-Glu在30 min內的催化速率分別達到1.69、1.55 μmol/min,是ZIF-8催化活性的1.38、1.27倍,而沒有加入納米酶時p-NP的產率極低。隨后,進一步考察ZIF-Asp的循環穩定性,將ZIF-Asp反應2 h后再收集循環測試3次,結果如圖7(c)所示。從圖7(c)可見,ZIF-Asp經過3次循環催化后,p-NPA的水解轉化率僅下降了2.7%,并且將3次循環后的ZIF-Asp進行XRD分析,并與反應前ZIF-Asp的XRD圖譜進行比較[圖7(d)],發現2條譜線之間沒有明顯區別,說明ZIF-Asp不僅具有較高的催化活性,還具有穩定的循環催化性能。 本文將ZIF-Asp、ZIF-Glu的催化活性與目前已報道的碳酸酐酶仿生酶催化活性數據相比較(表2),發現本文中合成的ZIF-Asp、ZIF-Glu具有較高的碳酸酐酶催化活性,說明基于碳酸酐酶活性中心常見氨基酸構建納米酶,能有效提高碳酸酐酶納米酶的酶活性。

表2 不同文獻報道碳酸酐酶仿生酶催化活性對比Tab.2 Comparison of biomimetic enzyme catalytic activity of carbonic anhydrase reported in different literature

2.2.2 碳酸酐酶仿生酶連續礦化性能測定

碳酸酐酶仿生酶連續礦化性能測定如圖9所示。

將碳酸酐酶納米酶應用到CO2連續化轉化具有實際工業意義,基于此設計連續固定床CO2轉化裝置,將ZIF-Asp、ZIF-8分別與石英砂混合裝填成柱,與CO2充分反應1 h后收集獲得的水合礦化產物并稱重,結果如圖8(a)所示。從圖8(a)可見,ZIF-Asp催化CO2的水合礦化產物質量達到1 171 mg,分別是ZIF-8和沒有納米酶催化劑的1.41、4.63倍,該結果與圖7(b)的納米酶的催化性能結果基本一致,并且ZIF-Asp對CO2的轉化率達到72.3%,分別是原始ZIF-8和沒有納米酶催化劑的1.41、4.63倍,說明所合成碳酸酐酶納米酶具有較好的CO2利用效率。為了確定CO2的礦化產物的類型,對其進行XRD檢測結果如圖8(b)所示。從圖8中可以看出,產物具有方解石碳酸鈣晶體的特征衍射峰:23(012)、29(104)、36(110)、39(113)、43(202)、47.5(018)、48.5(116),與標準的方解石結構碳酸鈣XRD譜圖相符合[17],對其進行SEM表征[圖8(c)、(d)],也可以看出,產物為立方體結構,粒徑約為5 μm,因此判斷該產物為方解石結構的碳酸鈣[18]。微米尺度的碳酸鈣在在食品、橡膠、造紙、醫藥等等行業具有廣泛應用[19-20],特別是人工合成的碳酸鈣可進行各種功能改性,能顯著提升其產品附加值,因此利用碳酸酐酶納米酶將CO2礦化生成碳酸鈣具有廣闊的應用前景。

(a) 礦化固定CO2的產物產量對比

3 結論

本文中基于用氨基酸仿生策略將碳酸酐酶活性中心中常見氨基酸Asp、Glu植入到ZIF-8骨架中,成功合成仿生碳酸酐酶材料ZIF-Asp、ZIF-Glu,并設計CO2礦化裝置實現了CO2的連續化制備。通過實驗室研究發現,ZIF-Asp、ZIF-Glu具有較高的碳酸酐酶活性,且循環穩定性較好,其酶活是ZIF-8的1.38、1.27倍,與目前已報道最好碳酸酐酶納米酶活性接近。隨后對ZIF-Asp、ZIF-8進行連續礦化實驗也證明,ZIF-Asp能有效礦化CO2,反應1 h能生成1 171 mg的微米尺度碳酸鈣并實現72.3%的CO2轉化率。本文中制備了仿生碳酸酐酶納米酶,并且設計的小試裝置為其工業化應用提供了理論數據,對CO2轉化為高附加值工業化學品的設計和合成提供借鑒。