仿生納米酶實現(xiàn)高效防污滲透能轉(zhuǎn)換

中科大張振/濟大逯一中等《AM》：仿生納米酶實現(xiàn)高效防污滲透能轉(zhuǎn)換

高分子科學前沿 / 時間：2024-10-11 10:48:19

10月10日訊：先進的膜材料在化學分離、傳感、水處理和能源等許多領(lǐng)域都是至關(guān)重要的?；陔x子選擇膜的反向電滲析技術(shù)可以捕獲海水和河水之間的滲透能用于大規(guī)模工業(yè)和家庭電力供應(yīng)，為日益增長的全球能源需求和環(huán)境問題提供了解決方案。然而，由于現(xiàn)實環(huán)境的復雜多變，膜材料的抗污染在實際應(yīng)用中仍然是一個主要問題。一般來說，膜的防污措施包括表面功能化、引入防污基團和改變外部場環(huán)境等。然而，它們的抗污能力差和對外場能量的依賴仍然是主要障礙。在自然界中，利用氧化酶產(chǎn)生活性氧（ROS）是生物膜防御外部細菌感染的關(guān)鍵功能。這種精細的防污過程啟發(fā)了利用多種酶的高催化活性的高效自防污膜的構(gòu)建。

納米酶是具有類酶活性的納米材料，具有成本低、穩(wěn)定性高和環(huán)境耐受性強等優(yōu)勢，是天然酶的理想替代品。納米酶的類酶活性可以人為定制，作為跨學科融合的典范，合理設(shè)計具有激活O2生成活性氧（ROS）能力的納米酶，以構(gòu)建仿生膜，有望從根本上解決現(xiàn)有膜材料的污染問題。雙原子催化劑（DACs）具有兩個相鄰的金屬原子位點，它們更類似于大多數(shù)天然氧化酶的多金屬活性中心，不僅繼承了單原子催化劑（SACs）的優(yōu)勢，而且利用了相鄰催化活性位點之間的協(xié)同效應(yīng)，為O2活化提供了更有效的途徑。以往所報道的雙原子仿生策略側(cè)重于調(diào)節(jié)鐵和銅位點的空間構(gòu)型。然而，考慮到天然細胞色素c氧化酶（CcO）結(jié)構(gòu)的復雜性和高選擇性，天然CcO中所含血紅素a和a3構(gòu)象對類氧化酶活性的影響尚不清楚。此外，同核雙原子鐵構(gòu)型對催化性能和隨后的ROS生成過程的影響仍不清楚，這對膜應(yīng)用具有重要指導意義。

近期，中國科學技術(shù)大學張振教授、濟南大學逯一中教授、淮北師范大學馬東偉教授、新加坡科技研究局Shibo Xi教授密切合作，在Advanced Materials期刊發(fā)表題為“Bioinspired Homonuclear Diatomic Iron Active Site Regulation for Efficient Antifouling Osmotic Energy Conversion”的研究論文。

本研究受天然CcO的結(jié)構(gòu)和功能模型的啟發(fā)，首次證明了原子精確的同核雙原子鐵復合材料作為具有優(yōu)異抗污染能力的高性能滲透能量轉(zhuǎn)換膜的使用。通過合理調(diào)整雙原子鐵納米酶的原子構(gòu)型，可以精確地定制類氧化酶活性，從而提高離子吞吐量和抗污能力。具有直接嵌入纖維素納米纖維中的Fe-Fe構(gòu)型納米酶的復合膜（CNF/Fe-DACs-P）功率密度約為6.7 W m-2，抗菌性能提高了44.5倍，超過了***的CNF基膜。結(jié)合實驗表征和密度泛函理論模擬表明，具有金屬-金屬相互作用的同核雙原子鐵位點可以實現(xiàn)中間體的吸附和解吸的平衡，從而實現(xiàn)優(yōu)異的類氧化酶活性、增強的離子通量和優(yōu)異的抗菌活性。該研究對開發(fā)納米酶在膜上的應(yīng)用具有重要的意義，為納米酶的膜應(yīng)用設(shè)計和探索提供了概念指導。

圖1.仿生納米酶復合膜高效防污滲透能轉(zhuǎn)換示意圖

總結(jié)：受生物膜抗菌特性的啟發(fā)，研究人員利用Fe-DACs-P納米酶來解決離子選擇性膜在滲透能量轉(zhuǎn)換過程中的防污問題。纖維素納米纖維中直接嵌入Fe-Fe基元結(jié)構(gòu)復合膜(CNF/FE-DACs-P)，其功率密度約為6.7 W m?2，超過了***的CNF基離子交換膜，同時還具有出色的防污性能，比原始CNF膜高44.5倍。該研究為設(shè)計具有增強類氧化酶活性的催化劑提供了見解，并強調(diào)了其在膜材料應(yīng)用中的重要潛力。(有刪節(jié)）詳情見高分子科學前沿公眾號