基于扩散强化的Pickering界面生物催化系统构建及CO2矿化过程研究

CO₂的有效利用有助于解决环境和生态问题.碳酸酐酶(CA)等酶分子可精准活化CO₂分子以降低反应能垒,为CO₂的高效和高选择性转化提供了一种有前景的途径.然而,酶离开生物体后易失活,且难以重复利用.目前,包埋型固定化酶是常用且有效的提高酶稳定性与回用率的方法之一,但载体的存在会造成反应物CO₂内扩散阻力增加,降低反应活性.此外,CO₂酶促转化是一个气-液-固三相反应过程,反应体系中CO₂的外扩散性能也需要加强.金属有机骨架(MOFs),特别是咪唑酯骨架(ZIFs),常被用作酶固定化的载体.ZIFs的拓扑结构可被设计成不同形貌,进而通过ZIFs的结构工程来加强分子向其中的内扩散.Pickering乳液是指以固体颗粒代替常规表面活性剂而稳定的乳液.当固体颗粒具有催化活性时,催化剂颗粒会扩大液-液-固或气-液-固三相接触面积,从而有效协调反应物在不同相中的扩散时间.如果酶被用作这些颗粒的活性中心,所制备的Pickering乳液也可能具备类似的特性,可加强底物分子向酶的外扩散.本文选择两种具有不同结构的ZIFs(ZIF-L和ZIF-8),原位包埋CA后形成CA@ZIFs颗粒以稳定Pickeirng乳液.ZIF-L和CA@ZIF-L颗粒显示出独特的二维层状堆叠结构.ZIF-8和CA@ZIF-8颗粒呈棱角清晰的十二面体结构.与CA@ZIF-8颗粒相比,CA@ZIF-L颗粒显示出更大的孔径和更宽的孔径分布,这有助于CO₂从CA@ZIF-L颗粒表面扩散至酶活性中心.利用酶活测试来研究内扩散是否通过结构工程得到了加强,发现CA@ZIF-L颗粒的活性比CA@ZIF-8颗粒高22.3%,推测这是由于CA@ZIF-L颗粒特殊的十字花状结构会缩短CO₂从颗粒表面扩散至酶活性中心的距离.同时,十字花状结构可暴露更多的酶活性位点(CA@ZIF-L颗粒的暴露面积是CA@ZIF-8颗粒的~8倍),从而提升了反应物浓度并显示出更高的催化活性.本文还设计了吸附实验来进一步验证上述假设,发现BSA@ZIF-L颗粒对香豆素的吸附率远高于BSA@ZIF-8颗粒,说明与ZIF-8相比,酶包埋于ZIF-L具有更强的捕获小分子的能力,表明CO₂分子向CA@ZIF-L的扩散速度更快,即CA@ZIF-L的十字花状结构可强化系统的内扩散过程.进一步比较了PIBS和游离多酶体系的催化活性,将CO₂通入每个系统,在反应前20 min,PIBS的pH值下降速度比游离体系快得多,说明PIBS通过在气相和液相间构建更大的界面,缩短了CO₂向CA的扩散距离,从而提高了催化效率,促进了CO₂转化.上述假设也通过扩散动力学的计算得到了验证.为进一步研究PIBS的CO₂矿化能力,本文开展了CaCO₃矿化反应,发现PIBS的CaCO₃产量远高于游离多酶体系,表明构建的PIBS在强化内外扩散方面具有显著优势.最后,评估了PIBS在工业应用中的性能,由CA@ZIF-L和CA@ZIF-8颗粒构建的PIBS显示出较好的可回收性,在第8个循环后,PIBS仍可保持8.9 mg/5 min的CaCO₃产量.综上,PIBS可为CO₂的酶促转化和框架提供一个新方法和新平台.     

CO2响应型Pickering乳液的构筑及应用

互不相溶的油/水两相在固体颗粒的作用下,其中一相以小液滴形式溶于另一相中形成的乳液称为Pickering乳液。由于其制备成本低、稳定性强且环境友好,目前已应用于医药、食品及化妆品等多个领域。在实际的应用中,具有长期稳定性质和可快速乳化/破乳的乳液在石油开采、催化等领域需求广泛,因而制备具有环境刺激响应性质的Pickering乳液迫在眉睫。与pH、磁场、温度、光等刺激手段相比,CO₂响应型乳液具有廉价易得、无污染、响应迅速、生物相容性好等优势,是解决产品循环回收问题的有效策略。目前CO₂刺激响应型Pickering乳液体系仍处于研究的初级阶段,且该乳液的响应机制、构筑策略仍有待明确和拓展。本文总结了Pickering乳液的稳定/响应机制,综述了CO₂响应型Pickering乳化剂的种类及构筑策略,列举了其在乳液聚合、界面催化、生物医药领域的应用进展,并展望了其未来的发展前景。     

设计合成nia拓扑的金属有机骨架化合物与CO2吸附

Nia拓扑结构是由两种分别是八面体和三棱柱构型的六连接节点连接形成的三维结构.为了得到具有nia拓扑的金属有机骨架,可以通过连接具有八面体构型的配体和具有三棱柱构型的金属簇实现.常见的三棱柱构型的金属簇为M3O(M=金属,M三价)或者M3OH(M二价).本文通过设计合成的枝状的具有八面体构型的有机配体1,3,5-tris(3,5-di-(4-carboxy-phenyl-1-yl)phenyl-1-yl)benzene(TDCPB),在溶剂热条件下,利用硝酸镍合成了一种新型的具有nia拓扑结构的金属有机骨架化合物JUC-105.通过X射线单晶衍射表征,该金属有机骨架化合物是由六棱柱的Ni3OH金属簇与八面体的TDCPB共同构筑的三维骨架结构,具有较大的孔道(1.1 nm).通过粉末衍射以及热重分析,研究了这种金属有机骨架的结构稳定性.气体吸附数据表明,这种骨架没有氮气吸附能力,但是表现了一定的CO2吸附能力.     

NiFe2O4与TiO2稳定的多重Pickering乳液的制备

由沉淀法和溶胶-凝胶法分别制备了Ni Fe_2O_4和Ti O_2,并用XRD和SEM对两种粒子进行了表征,结果表明成功制备了粒径大小较为均匀的目标产物。用CTAB对Ni Fe_2O_4进行了改性,并由IR和Zeta电位测试予以确认。以改性Ni Fe_2O_4和Ti O_2作为稳定粒子,由两步法制备了W/O/W型多重Pickering乳液,采用数码照片和光学显微照片观察所制备的乳液的宏观与微观形貌。研究表明,制备的单重Pickering乳液粒径较为均匀,多重Pickering乳液粒径范围稍宽,但两者稳定性能都非常良好。     

通过金属离子刺激调节金属有机骨架结构用于光催化CO2还原

通过自组装得到一种具有适中配位键强度和适度骨架柔性的二维Cd基金属有机骨架(MOF){[Cd (HL)(BPY)_0.5(H₂O)]·2H₂O}_n(1),其中H₃L=4,4′,4″-(亚硝基三(亚甲基))三苯甲酸,BPY=4,4′-联吡啶)。由于其独特的结构特征,在金属离子(Zn²⁺/Ni²⁺/Co²⁺)刺激下,1逐渐转变成相应金属离子主导的MOF结构2、3和4。在此过程中,随着金属离子Cd²⁺→Zn²⁺、Cd²⁺→Ni²⁺和Cd²⁺→Co²⁺的交换,1通道中自由的Cd²⁺和L3-与MOF的骨架进行融合,导致通道空间的扩大,发生次级构筑单元(SBU)的转变,进而形成可调节的骨架。光催化二氧化碳还原结果表明,由离子交换所得到的新结构在催化效率上并没有很大改观,但在产物选择性上却有极大地提升(其中配合物3展示出100%的CO选择性)。     

通过金属离子刺激调节金属有机骨架结构用于光催化CO2还原

通过自组装得到一种具有适中配位键强度和适度骨架柔性的二维Cd基金属有机骨架(MOF){[Cd (HL)(BPY)_0.5(H₂O)]·2H₂O}_n (1)，其中H₃L=4，4''，4″-(亚硝基三(亚甲基))三苯甲酸，BPY=4，4''-联吡啶)。由于其独特的结构特征，在金属离子(Zn²⁺/Ni²⁺/Co²⁺)刺激下，1逐渐转变成相应金属离子主导的MOF结构2、3和4。在此过程中，随着金属离子Cd²⁺→Zn²⁺、Cd²⁺→Ni²⁺和Cd²⁺→Co²⁺的交换，1通道中自由的Cd²⁺和L^3-与MOF的骨架进行融合，导致通道空间的扩大，发生次级构筑单元(SBU)的转变，进而形成可调节的骨架。光催化二氧化碳还原结果表明，由离子交换所得到的新结构在催化效率上并没有很大改观，但在产物选择性上却有极大地提升(其中配合物3展示出100%的CO选择性)。     

基于超分子构筑模块和酰胺插入的螺旋配体的PCN类型金属有机骨架的结构和选择性吸附CO2

首次实现了窗口缩小的小斜方六面体超分子构筑模块(SBB)和酰胺功能化螺旋配体5,5’-(((1,1’-biphenyl)-2,2’-dicarbonyl)bis(azanediyl))diisophthalic acid (H₄L)的链接,形成了一个pcu拓扑的微孔金属有机骨架[Cu₂(L)(H₂O)₂]·DMF·6H₂O(NTUniv-53),其在室温下展示了良好的二氧化碳吸附选择性。由于窗口缩小和酰胺的共同作用,该选择性基本不受温度变化的影响。     

W18O49/NH2-UiO-66复合催化剂的高效光催化CO2环加成

以2-氨基对苯二甲酸(H₂ATA)为配体,通过溶剂热法合成了Zr基MOF:NH₂-Ui O-66,继而以氯化钨为前驱体,通过溶剂热法实现了富含氧空位的缺陷氧化钨(W₁₈O₄₉)在NH₂-Ui O-66上的原位生长,构建了具有典型Ⅱ型异质结的复合光催化剂W₁₈O₄₉/NH₂-Ui O-66。通过粉末X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和紫外可见漫反射光谱对催化剂的组成与结构进行了表征。在室温常压、模拟太阳光下,以氧化苯乙烯为模型底物,对所有样品的光催化活性进行了考察,W₁₈O₄₉/NH₂-Ui O-66展现了最高的碳酸苯乙烯酯产率(58 mmol·g^-1·h^-1)。     

基于壳聚糖/透明质酸钠胶体的温敏性Pickering乳液及其在生物催化中的应用

本文以负载脂肪酶的自组装胶体粒子为乳化剂,以十六烷为油相制备Pickering乳液,通过温度调控乳液的稳定性,提高脂肪酶的循环使用性能。首先,在荷正电的壳聚糖(CS)溶液中依次加入脂肪酶(CRL)和荷负电的天然大分子透明质酸钠(HA),利用壳聚糖与透明质酸钠之间的静电作用自组装形成脂肪酶@壳聚糖/透明质酸钠胶体(CRL@CS/HA CPs),将脂肪酶负载于胶体粒子内,提高CRL@CS/HA CPs的稳定性;以相变材料十六烷为油相,在高速均质作用下将CRL@CS/HA CPs组装到十六烷-水界面,构建温敏性Pickering乳液,应用于脂肪酶的界面催化;通过改变温度,诱导油相发生凝固-溶解实现破乳,回收CRL@CS/HA CPs,提高脂肪酶的循环使用性能。     

室温快速合成Ag基金属有机骨架材料用于电催化还原CO2

选择具有强给电子能力的1,2,4-三唑为配体,成功合成了银基金属有机骨架材料(Ag-MOF)并用于电催化还原CO₂反应(CO₂RR)。借助粉末X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、计时电流法等表征手段对材料的晶体结构、形貌和电催化CO₂RR性能进行了系统的研究。与商品化的纳米Ag颗粒对比,Ag-MOF展现出更优异的电催化CO₂RR产物选择性、催化活性和稳定性,在-0.9 V (vs RHE)时,CO的法拉第效率高达96.1%。当电压为-1.1 V (vs RHE)时,电流密度可达17 mA·cm^-2,且电极可以稳定运行300 min。这说明通过选择合适的配体结构,可以改变催化位点周围的化学环境,从而高效将CO₂转化为目标产物。     

过渡金属催化不饱和烃与二氧化碳的羧化反应研究与进展

CO₂是一种无毒、廉价易得、储量丰富的可再生资源,通过化学方法将其转化为具有高附加值的化学品已成为实现可持续发展的战略性课题。其中,以CO₂作为羧化试剂合成羧酸及其衍生物的研究已成为CO₂催化活化领域的研究热点。本文按照不同过渡金属催化的不饱和烃与CO₂的羧化反应,分类归纳了近些年来的羧化反应研究进展。     

Electrochemical reduction of CO2 with high current density in a CO2 + methanol medium II. CO formation promoted by tetrabutylammonium cation

The cation of the supporting electrolyte was found to play an important role in the electrochemical reduction of highly concentrated CO₂ in a CO₂ + methanol medium. Electroreduction of CO₂ with tetrabutylammonium (TBA) salts yielded CO as the main product, while methyl formate was predominantly formed when lithium salts were used as supporting electrolytes. The latter supporting electrolytes showed a higher overvoltage than the former. When TBA salt was used, the reduction of CO₂ was catalysed by TBA ion to yield CO^−.₂. This intermediate may be stabilized by forming an ion pair, {TBA⁺---CO^−.₂}, or by being adsorbed on the electrode surface as CO^−._2ad. Then CO^−.₂ reacts with CO₂ to produce CO. The hydrophobic atmosphere at the electrode provided by TBA ion may be adequate for CO production. Lithium ion, on the other hand, suppressed the reduction of CO₂.     

局部表面等离子体共振可调的MoO3-x-TiO2纳米复合物用于提高可见光下光催化还原CO2的性能(英文)

利用太阳能光催化还原CO₂和H₂O到燃料和化学品是一条极具吸引力但又充满挑战性的转化途径.迄今为止,只有非常有限的光催化剂已经被报道可以在可见光照射下光催化还原CO₂.局部表面等离子体共振(LSPR)现象可以被用作一种有效的开发可见光催化剂的策略.贵金属Au,Ag,Pt等的LSPR现象已经被较为广泛的研究,并应用于光催化、光热、气敏等多种领域.而低价态金属自掺杂的金属氧化物,如MoO_3-x和WO_3-x,也被证明具有LSPR现象,可用于开发更加廉价的可见光催化剂.本文通过简单的溶剂热法成功合成了低价态Mo自掺杂的MoO_3-x纳米片催化剂,并在合成过程中原位加入TiO₂纳米颗粒(TiO₂-NP)和TiO₂纳米棒(TiO₂-NT),构建了MoO_3-x-TiO₂纳米复合物.电镜表征显示,MoO_3-x-TiO     

CO2还原反应二维电催化剂研究进展

二氧化碳(CO₂)电化学还原为高附加值化学品在解决CO₂过量排放上具有极好的应用前景,但这需要开发先进的电催化剂来降低CO₂活化能并提高还原产物的选择性。受益于独特的几何结构,二维材料在电催化CO₂还原反应中得到了广泛研究。本综述将系统介绍应用于CO₂还原反应的二维电催化剂上的最新进展。我们也将揭示特征结构与电催化性能之间的构效关系。我们希望本文可以为开发CO₂还原电催化剂提供有益的指导。     

乙二醇溶剂热合成的CeO2的可逆氧化还原性及CO2捕获性能

利用乙二醇的还原性,采用乙二醇溶剂热法制备了表面具有丰富氧空穴的CeO₂-GST纳米晶,对其进行了X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱、原位H₂还原-O₂氧化循环和CO₂原位红外漫反射表征,并研究了其可逆氧化还原性及CO₂捕获性能. 结果表明,与CeO₂-nanorod和柠檬酸溶胶法合成的CeO₂-CA样品相比,CeO₂-GST纳米晶具有最好的可逆氧化还原性能和循环稳定性,同时在50 ℃下具有最好的CO₂吸附性能（149 μmol/g）. 利用原位红外漫反射光谱研究了CO₂在还原CeO₂表面的吸附情况,发现CO₂主要以双齿碳酸盐和桥连碳酸盐两种形式吸附在CeO₂表面,其中桥连碳酸盐物种不稳定,He吹扫可脱附. 此外,CO₂在CeO₂-nanorod上还会生成稳定的甲酸盐和单齿碳酸盐物种.     

Composite hollow fiber membranes for CO2 capture

Composite hollow fibers membranes were prepared by coating poly(phenylene oxide) (PPO) and polysulfone (PSf) hollow fibers with high molecular polyvinylamine (PVAm). Two procedures of coating hollow fibers outside and respective inside were investigated with respect to intrinsic PVAm solution properties and hollow fibers geometry and material.The influence of operating mode (sweep or vacuum) on the performances of membranes was investigated. Vacuum operating mode gave better results than using sweep because part of the sweep gas permeated into feed and induced an extra resistance to the most permeable gas the CO₂. The composite PVAm/PSf HF membranes having a 0.7–1.5 μm PVAm selective layer, showed CO₂/N₂ selectivity between 100 and 230. The selectivity was attributed to the CO₂ facilitated transport imposed by PVAm selective layer. The CO₂ permeance changed from 0.006 to 0.022 m³(STP)/(m² bar h) in direct correlation with CO₂ permeance and separation mechanism of the individual porous supports used for membrane fabrication. The multilayer PVAm/PPO membrane using as support PPO hollow fibers with a 40 nm PPO dense skin layer, surprisingly presented an increase in selectivity with the increase in CO₂ partial pressure. This trend was opposite to the facilitated transport characteristic behaviour of PVAm/porous PSf. This indicated that PVAm/PPO membrane represents a new membrane, with new properties and a hybrid mechanism, extremely stable at high pressure ratios. The CO₂/N₂ selectivity ranged between 20 and 500 and the CO₂ permeance from 0.11 to 2.3 m³(STP)/(m² bar h) depending on the operating conditions.For both PVAm/PSf and PVAm/PPO membranes, the CO₂ permeance was similar with the CO₂ permeance of uncoated hollow fiber supports, confirming that the CO₂ diffusion rate limiting step resides in the properties of the relatively thick support, not at the level of 1.2 μm thin and water swollen PVAm selective layer. A dynamic transfer of the CO₂ diffusion rate limiting step between PVAm top layer and PPO support was observed by changing the feed relative humidity (RH%). The CO₂ diffusion rate was controlled by the PPO support when using humid feed. At low feed humidity the 1.2 μm PVAm top layer becomes the CO₂ diffusion rate limiting step.     

Experimental study of high pressure phase equilibrium of (CO2 + NO2/N2O4) mixtures

Experimental bubble pressure, as well as liquid density of (CO₂ + NO₂/N₂O₄) mixtures are reported at temperatures ranging from (298 to 328.45) K. Experiments were carried out using a SITEC high-pressure variable volume cell. Transition pressures were obtained by the synthetic method and liquid density was deduced from measurement of the cell volume. Correlation of experimental results was carried out without considering chemical equilibrium of NO₂/N₂O₄ system. (Liquid + vapour) equilibrium was found to be accurately modelled using the Peng–Robinson equation of state with classical quadratic mixing rules and with a binary interaction coefficient k_ij equal to zero. Nevertheless, modelling of liquid density values was unsatisfactory with this approach.