以耐酸性MOF为载体的碳酸酐酶固定化及其在CO2捕集转化中的应用
化石燃料燃烧造成的温室效应已经给人类生存环境带来威胁。将过量的CO2转化为高附加值的化学品是实现碳中和的重要途径之一。碳酸酐酶（carbonicanhydrase，CA）可以将CO2转化成HCO3-并进一步转化为碳酸钙、甲酸、甲醇等产物，是当前开展CO2转化研究的前沿。然而，游离CA价格昂贵，稳定性和耐受性差，且不能重复使用，大大限制了其实际工业应用。将CA固定化是解决上述问题的主要途径之一。但传统载体富集CO2能力较弱，导致固定化CA转化CO2能力受限。聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine，PEI）是一种携带有大量氨基的化合物，对CO2十分亲和，同时可以与多巴胺（Dopamine，DA）在碱性条件下发生聚合反应，沉积在材料的表面，是一种良好的材料改性剂。本研究以两种耐酸性金属有机骨架MOF-808和NMOFs为载体，通过PEI和DA的共沉积制得表面带有大量氨基的PEI/PDA-MOF-808和PEI/PDA-NMOFs，以提高载体对CO2的富集作用。然后利用共价交联的方式将CA固定在PEI/PDA-MOF-808和PEI/PDA-NMOFs上，制得CA@PEI/PDA-MOF-808和CA@PEI/PDA-NMOFs，优化了制备条件，研究了其催化性能以及对CO2的转化能力。主要研究内容如下： 以氯化锆和均苯三甲酸为主要原料，使用溶剂热法合成了MOF-808。使用PEI和PDA修饰MOF-808，得到PEI/PDA-MOF-808。将CA通过交联固定在戊二醛活化后的PEI/PDA-MOF-808上，得到固定化碳酸酐酶CA@PEI/PDA-MOF-808，优化了制备条件，研究了其催化性能。在最佳条件下制得的CA@PEI/PDA-MOF-808酶活回收率为41.9%；将游离CA和CA@PEI/PDA-MOF-808在pH3的条件下处理1h，游离CA几乎完全失活，而CA@PEI/PDA-MOF-808能够保留初始酶活的53.6%，表明CA@PEI/PDA-MOF-808比游离CA有更好的耐酸性；在室温储存15d后，游离CA只保留初始酶活的29.7%，而CA@PEI/PDA-MOF-808能够保留初始酶活的49.7%，表明CA@PEI/PDA-MOF-808比游离CA有更好的储存稳定性；而且，CA@PEI/PDA-MOF-808表现出较好的重复使用稳定性，在重复使用了8次后，仍然能够保留初始酶活的56.0%。 以氯化锆和2,2′-联吡啶-5,5′-二羧酸为主要原料，使用溶剂热法合成了NMOFs。使用PEI和DA修饰NMOFs，得到PEI/PDA-NMOFs。将CA通过交联固定在戊二醛活化的后PEI/PDA-NMOFs上，得到固定化碳酸酐酶CA@PEI/PDA-NMOFs，优化了制备条件，研究了其催化性能。在最佳条件下制得的CA@PEI/PDA-MOF-NMOFs酶活为61.6%；将游离CA和CA@PEI/PDA-NMOFs在pH3的条件下处理1h，CA@PEI/PDA-NMOFs能够保留初始酶活的68.4%，游离CA几乎完全失活；表明CA@PEI/PDA-NMOFs比游离CA有更好的耐酸性；在室温储存15d后，游离CA只保留初始酶活的29.7%，而CA@PEI/PDA-NMOFs始终能够保留初始酶活的56.0%，而且，CA@PEI/PDA-NMOFs表现出较好的重复使用稳定性，在重复使用了8次后，CA@PEI/PDA-NMOFs能够保留初始酶活的72.0%。 分别利用游离CA、CA@PEI/PDA-MOF-808和CA@PEI/PDA-NMOFs催化CO2转化，在相同的反应时间里，空白组产量为321.7mg，游离CA没有催化生成更多的碳酸钙，产量为324.9mg，而CA@PEI/PDA-MOF-808组和CA@PEI/PDA-NMOFs组的累计产量达到了2866.9和2845.2mg，SEM表明，空白组、游离CA、CA@PEI/PDA-MOF-808和CA@PEI/PDA-NMOFs转化CO2生成的CaCO3均为球霰石形态。
CO2捕集转化;碳酸酐酶;酸性MOF
天津科技大学
硕士
轻工技术与工程
崔建东
2022
中文
TQ426.97
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）