大连理工李新勇课题组ACB：人工类囊体薄膜辅助分层中空纳米球NiMn2O4@PoPDA用于光酶协同催化
大连理工李新勇课题组ACB：人工类囊体薄膜辅助分层中空纳米球NiMn2O4@PoPDA用于光酶协同催化
第一作者：施巨功
通讯作者：李新勇 教授通讯单位：大连理工大学
1、 全文速览
大连理工大学李新勇教授课题组长期专注于高性能尖晶石基催化剂的开发及在环境与能源领域的应用。近日，该课题组在锰基尖晶石光催化耦合生物酶催化二氧化碳还原反领域的研究中取得新进展，相关成果发表于国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental。作者基于中空结构锰酸镍（NiMn2O4）催化剂包覆聚邻苯二胺（PoPDA）模拟天然类囊体薄膜来构建光酶耦合催化系统，并结合密度泛函理论（DFT）计算深入研究了耦合催化系统高性能的机理。该研究为实现光酶耦合催化系统有效进行CO2固定提供了一条可行路径。
2、 背景介绍
在合成化学中，生物催化剂由于其优异的化学选择性和立体特异性，特别是在将CO2还原为增值化合方面，已成为一种极具竞争力的工具。CO2还原通常在热力学上是不利的，但在生物催化中的各种氧化还原酶中，甲酸脱氢酶（FDH）可以通过质子耦合电子转移反应稳定中间体并将CO2转化为甲酸来克服热力学障。另外，可见光介导的光催化是一种在温和条件下催化反应的方法。受自然光合作用的启发，利用可再生能源太阳能进行二氧化碳转化，为同时减少二氧化碳排放和生产增值化合物（甲烷、甲醇和甲酸）提供了新思路。目前，一些用于CO2还原的光催化剂，其产品选择性往往较差。因此，开发能够有效且选择性地将CO2转化为特定增值化合物的强大光催化系统至关重要。将具有光收集功能的半导体光催化剂和具有CO2处理能力的生物催化剂相结合，将有效地、选择性地将CO2转化为特定产物。本文以具有人工类囊体薄膜的分层中空纳米球NiMn2O4@PoPDA为催化剂，以甲基紫静（MV2+）作为人工辅助因子，与来Candida boidinii 的甲酸脱氢酶（CbFDH）耦合，在可见光下将 CO2 还原成甲酸。利用 PoPDA 膜良好的太阳能捕获能力、高效的电子传递、优异的生物相容性、NiMn2O4@PoPDA催化剂中强的电子耦合和良好的能带结构，该光酶耦合系统可高效地实现 CO2还原，甲酸产率达 206 µmol。
3、 本文亮点
1. 通过在空心纳米球NiMn2O4上涂覆人工类囊体薄膜，构建了一个稳定高效的光酶耦合催化系统。
2. PoPDA膜增强了光能吸收和电子传递效率，并提高了酶的稳定性。
3. NiMn2O4和PoPDA膜之间良好的电子耦合和能带结构有效分离了空穴和电子。
4. 这项工作创造了一种利用PoPDA膜作为酶稳定保护器来制造光生物催化剂的有效策略。
4、 图文解析
作者采用水热-光引发原位聚合的方法合成系列NMO@PoPDA催化材料。SEM和TEM结果表明该材料为分层中空纳米球结构，人工类囊体薄膜被成功合成；HADDF结果表明NMO@PoPDA材料表面Ni，Mn，C，N元素的存在。XPS结果表明人工类囊体薄膜PoPDA紧密结合在NMO纳米球表面。
Fig. 1. Membrane structure of thylakoid in nature.
Fig. 2. (a) Schematic illustration for fabricating hierarchical hollow NMO@PoPDA nanospheres. SEM images of (b) NMO and (c) NMO@PoPDA-2. TEM images of (d) NMO and (e) NMO@PoPDA-2. (f) HAADF image, and (g-j) EDS mappings of NMO@PoPDA-2.
Fig. 3. High-resolution XPS spectra of (a) Ni 2p, (b)Mn 2p, (c) N 1s and (d) C 1s of PoPDA and NMO@PoPDA-2.
作者在厌氧条件下进行了甲基紫精再生实验，发现NMO@PoPDA-2具有最高的光催化再生活性。通过一系列的光电化学表征和光致发光光谱对催化剂进行了表征，发现分层中空纳米结构在载流子的分离和转移方面具有很明显的优势。另外，根据N2吸附-解吸等温线曲，确定PoPDA膜上的孔径为2.7 nm，小于Pymol可视化软件确定的CbFDH蛋白大小，这证明可以很好的分隔光催化氧化和酶还原。
Fig. 4. (a) UV-vis diffuse reflectance spectra of NMO and PoPDA. (b) VB-XPS spectra of NMO and PoPDA. (c) Schematic electron transfer pathway in NMO@PoPDA-2. (d) pore size distribution of NMO@PoPDA-2 determined by an N2 adsorption-desorption isotherm curve. The inset gives the size of the CbFDH protein displayed by Pymol software. (e) Photocatalytic regeneration of MV•+ by NMO@PoPDA-x and NMO*@PoPDA. (f) Transient photocurrent spectra of NMO, NMO*@PoPDA and NMO@PoPDA-2 under visible light and (g) EIS spectra. (h) Steady state PL spectra and (i) TRPL spectra of NMO, NMO*@PoPDA and NMO@PoPDA-2.
作者通过DFT理论计算对NMO和NMO@PoPDA催化材料对MV2+的吸附能进行了研究。计算结果表明，人工类囊体薄膜的构建增强了对MV2+的吸附能力，进而影响了光催化活性。为了探索在光酶耦合系统中，人工类囊体薄膜对酶的保护作用，将酶与NMO和NMO@PoPDA分别在含有0或者400mM TEOA的SPS缓冲液（有氧或者无氧条件）中进行孵化，发现PoPDA薄膜具有良好的生物相容性和生物亲和性，可以有效的划分光催化和生物催化。另外，为了进一步的研究酶的失活机制，作者通过圆CD对不同孵化条件下酶孵化后的构象进行了表征。结果表明CbFDH的CD光谱在208和218 nm处显示出α-螺旋结构的特征带，分别与多肽链的π-π*和n-π*酰胺跃迁一致。与NMO@PoPDA催化剂孵育后，208和218nm处的两个负带发生了显著变化。已经证明，具有反平行排列的相邻α-螺旋结构对蛋白质的稳定性有积极影响。二级结构组分的这些差异表明，空穴和ROS破坏了CbFDH的骨架结构，并导致蛋白质去折叠，最终导致酶活性的变化。对于在厌氧条件下与催化剂孵育的酶，两个能带的形状基本保持不变。最后通过EPR表征确实探测到了•OH和O2•−的存在。
Fig. 5. (a) Calculated adsorption energy of MV2+ on NMO@PoPDA and pristine NMO. (b) Effect of 2 mM MV2+ on the concentration of sodium formate (2-8mM) in the presence of 1unit CbFDH. (c) Concentration of formic acid produced in control experiments under different conditions. (d) Step-by-step diagram of formic acid production from CO2 reduction by photo-enzyme coupled system. (e) Relative activity. (f) Circular dichroism (CD) spectra of CbFDH after incubation in SPS buffffer containing NMO@PoPDA under different conditions. (g) EPR spectra of NMO@PoPDA in aqueous solution (•OH) and (h) methanol solution (O2•−). Reaction condition: (e) [PoPDA or NMO or NMO@PoPDA-2] = 1mg, CbFDH = 0.1 mg ml-1, 0.135 µM NAD+, 10 mM formic acid, TEOA = 0 or 400 mM, (anaerobic) SPS buffer (100mM, pH 7.0), 25 °C.
1、 总结与展望
这项工作报道了一种具有人工类囊体膜的分级中空结构光催化剂，并利用MV2+作为人工辅因子与酶催化偶联，构建了人工光合作用系统。分层空心NMO@PoPDA采用溶剂热法和光引发聚合法成功制备了纳米球。NMO和PoPDA之间的强电子耦合和良好的能带结构有效地分离了空穴和电子。在精确的CO2固定过程中，人工类囊体膜具有高效的电子转移和优异的光吸收性能，可协调光催化和生物催化反应。具有酶保护屏障性能的人工类囊体膜的设计也将为光酶偶联系统的集成开辟新的思路。
