李远兵 2013-07-06

TiO2 纳米片固定过氧化物酶的性能研究

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3

主要内容

TiO2 纳米片的合成

立项依据11

141

实验方案

项目的创新点

立项依据酶被固定在纳米载体上可增强其稳定性、重复使用性，而且具有与产品容易分离等优点。

较强的吸附能力 较大的比

表面积

传质阻力小良好的生

物相容性与热力学

稳定性TiO2 纳米片的特性

TiO2纳米片研究现状

TiO2 纳米片应用领域：

固定化生物大分子（ DNA ，蛋白，抗体，酶，细胞等）；

自身作催化剂监测染料浓度变化；

生物传感器 金属或非金属

掺杂纳米管拓宽可应用光波长范围

水的光解

光催化钛纳米片在导电玻璃基底形成纳米多孔薄膜

提高光电转化量子效率

染料敏华太阳能电池

TiO2纳米材料研究现状

固定化酶基础：

生物传感器的应用（对生物大分子的固定化）；

优异的生物相容性：

生物医学方向对细胞的固定化；

表面特性：

……

比表面积；

表面 -OH 活性基团对生物分子的亲和性

TiO2 纳米片合成方法

（一）化学气相沉积法：(1) 合成过程：通过对内外反应炉进行不同温度地加热， Ticl4 在内反应炉中被氢气推到外反应炉中，与氧气反应，在硅涂层衬底上生长出纳米片。

(2) 合成结果：随机取向生长的纳米片厚度在50~100nm 之间，长度宽度变化很大。生成的纳米片的密度大约在 10/μm2

SEM images of nanosheets with different magnifications

TiO2 纳米片合成方法

（二）溶液脱层法。(1) 合成过程：将层状质子化钛酸盐加入到四丁基氢氧化(TBAOH) 溶液中，在室温下搅拌 10d 以上，将得到的乳白色的悬浊液离心，可以得到为 Ti0.91O2 纳米片。

(2) 合成结果：得到的纳米片厚度为 0.7nm ，晶体长度可以到几微米。

Ti0.91O2 纳米片晶体的原子结构示意图

TiO2 纳米片合成方法

( 三 ) 水热法或者溶剂热法：(1) 合成过程：以钛酸四丁酯 (Ti(OBu)4) 或者四氟化钛 (TiF4) 前驱体，以 HF 做为附着性试剂，在有醇或者没醇的情况下合成锐钛矿二氧化钛纳米片。

(2) 合成结果：在加入不同的物质的量、反应时间、反应温度、加入的醇不同，会得到不同大小的 TiO2 纳米片。

TiO2 纳米片研究现状

合 成 方 法：水热法、溶剂热法

反应机理：

TiX4 + 4R−OH → Ti(OR)4 + 4HX

Ti(OR)4 + TiX4 → 2TiO2 + 4RX

反应过程中，加入二醇类物质，会降低钛酸酯盐的水解速率，反应式如下：

Ti(OBu)4 + HOCH2CH2OH Ti(OCH2CH2O)(OBu)2 + 2HOBu

Ti(OCH2CH2O)(OBu)2 + HOCH2CH2OH Ti(OCH2CH2O)2 + 4HOBu

→

→

图 a 锐钛矿二氧化钛的结构示意图

图 b 锐钛矿二氧化钛晶粒成核生长示意图

图 c 5.33mM TiF4 与 10% 的 HF 在 180 ℃反应 14 h 生成的单晶纳米片 SEM图， TiO2 单晶纳米片横向尺度达到 1 µm 。

参考文献： Hua Gui Yang1*, Cheng Hua Sun1,2*, Shi Zhang Qiao1, Jin Zou3, Gang Liu1,4 Nature 2008, 453, 638

b

c d

图 d 沿着 [001] 轴的锐钛矿单晶的 TEM 图

单晶纳米片的 {001} 晶面的含量从 47% 提高到了 64% 。平均尺度是1.09μm ，厚度为 260nm ，异丙醇会阻止单晶沿着 [001] 方向进行生长，使得与先前的单晶纳米片相比，它会更薄。

图 B 、 C 分别是加入异丙醇反应 11h 后得到的单晶纳米片的 SEM 和 TEM 图

参考文献： H. G. Yang, G. Liu, S. Z. Qiao, C. H. Sun, Y. G. Jin, S. C. Smith, J. Zou, H. M. Cheng, G. Q. Lu, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 4078 –4083

a 图是 TiF4 与丁醇和 48%HF 反应生成的纳米片。 d 图是其结构示意图。

参考文献： Wen CZ ， Zhou JZ ， Jiang HB ， Hu QH ， Qiao SZ ， Yang HG． Synthesis of micro-sized titanium dioxide nanosheets wholly exposed with high-energy {001} and {100} facets[J]． Chemical Communications ， 2011 ， 47(15) ： 4400-2．

a) XRD pattern and b–d) SEM images of the TiO2 microspheres obtained for the reaction time t=5.5 h

钛酸四丁酯，丁醇和 40% 的 HF 反应 5.5 小时生成的二氧化钛微球。该微球是由厚度约为 4nm ，长度约为 40nm 的纳米片组成的。当反应时间提高到 24 小时，微球的形貌没有影响。

参考文献： Z. K. Zheng, B. B. Huang, X. Y. Qin, X. Y. Zhang, Y. Dai, M. H. Jiang, P. Wang and M. H. Whangbo, Chem.–Eur. J., 2009, 15, 12576

5mL 钛酸四丁酯和 0.6mL 47%HF在 180℃ 下反应 24h ，合成了长度约为 40nm ，厚度约为 6nm 的锐钛矿 TiO2 纳米片，当把 HF 的含量提高到 0.8ml 时， TiO2 纳米片的长度约为 50nm 。当温度提高到 200 ℃ 后，纳米片长度达到130nm左右，厚度约为 10nm 。

(A) Typical XRD pattern and (B) low-magnification TEM image(C) High-magnification TEM image of an individual TiO2 nanosheet (D) High resolution TEM image from the vertical nanosheets.

参考文献： Han X ， Kuang Q ， Jin M ， Xie Z ， Zheng L ． Synthesis of Titania Nanosheets with a High Percentage of Exposed (001) Facets and Related Photocatalytic Properties[J] ． J. Am. Chem. Soc. ， 2009 ， 131(9) ： 3152-+ ．

预实验方案 ---TiO2 纳米片合成

预实验过程：

材料 反应浓度 反应温度 反应时间 后处理

25mL钛酸四

丁酯3mL 40%HF 180℃ 24h

蒸馏水和乙醇水洗 3

次， 0.1mol/L NaOH 水洗 3

次，蒸馏水再水洗 3次

5mL 钛酸四丁

酯

0.6mL 40%HF

200℃ 24h蒸馏水和乙醇水洗 2

次， 0.1mol/L NaOH 水洗 4

次，蒸馏水再水洗 2次

5mL 钛酸四丁

酯

0.8mL 40%HF 200℃ 24h

蒸馏水和乙醇水洗 2

次， 0.1mol/L NaOH 水洗 4

次，蒸馏水再水洗 2次(1) TiO2 表面的氟原子能够通过煅烧或者碱洗被去掉，而不会改变晶体的结构和形貌。(2) 水洗对 TiO2 纳米片的形貌和表面化学组成没有影响。

预实验方案 ---TiO2 纳米片合成

预实验结果：

a bc

da 、 b) SEM image of 25ml Ti(OBu)4+3mL HF in 180℃

c) SEM image of 5mL Ti(OBu)4+0.6mL HF in 200℃

d) SEM image of 5mL Ti(OBu)4+0.8mL HF in 200℃

实验方案 ---TiO2 纳米片合成

材料大小 比表面积 负载率 相对酶活 循环稳定性 TEM 图

TiO2 微球

粒径500~600nm

— 150mg/g 65%

经过 10次循环后，保持了 90%

的酶活力

TiO2 纳米管

内径3.5nm外径 10nm

管长约120nm~180nm

305.4m2/g 820mg/g 60%

经过 9次循环后，保持了 50% 的酶活力

以 3,4— 二羟基苯基丙酸为修饰剂固定过氧化氢酶的比较

1 ，钛酸四丁酯与 48% 的 HF 反应，调整物质的量，控制反应时间和温度。合成厚度在 10nm, 长度在 120nm左右的二氧化钛纳米片。

2, 钛酸四丁酯与 48% 的 HF ，加入丁醇，调整物质的量，控制反应时间和温度，预期合成厚度在 20nm ，长度在 300nm左右的二氧化钛纳米片。

实验方案 --- TiO2 纳米片合成

实验方案 ---TiO2 纳米片固定化酶

TiO2 纳米片固定化过氧化氢酶（一）：

利用 3,4— 二羟基苯基丙酸作为对二氧化钛纳米片进行表面改性，用于固定化酶的研究

儿茶酚衍生物与 TiO2 表面螯合作用示意图

enzyme

实验方案 ---TiO2 纳米片固定化酶

TiO2 纳米片固定化过氧化氢酶（二）：

Ti Ti Ti Ti

O O O

O- O O O-

Si

OR1OR2

OR3

NH2

Si

OR1OR2

OR3

NH2

Ti Ti Ti Ti

O O O

H HO

O- HO OH O-

Si

OH

NH2

Si OHOH

NH2

硅烷是一类含有硅基的有机无机杂化物，在水里水解成 R4(CH2)nSi(OH)3,硅烷在金属界面上形成 Si—O—Ti共价键，硅烷分子通过 SiOH 基团之间的缩聚反应在金属表面形成三维网状结构。

预期目标

比表面积 负载量 相对酶活 循环稳定性

厚度为 10nm 长度为 120nm左右的 TiO2 纳米片

300m2/g 900mg/g 75% 经过 9次循环后，保持了60% 的酶活力

厚度为 20nm 长度为 300nm左右的 TiO2 纳米片

900m2/g 800mg/g 70% 经过 9次循环后，保持了60% 的酶活力

脂肪酶催化生产生物柴油

生物柴油制备原理：

CH2OCOR1

CHOCOR2 + 3ROH

CH2OCOR3

lipase

酸 /碱

CH2OH R1COOR

CHOH + R2COOR

CH2OH R3COOR

脂肪酶催化的优势

(1) 反应条件温和 (35-60 )℃ ，能耗低。

(2) 反应产物分离简单

(3) 不污染环境

预期存在的问题

(1)甲醇对脂肪酶有毒性，要找到对脂肪酶无毒的有机溶剂对醇的稀释作用降低醇对脂肪酶的毒性。

(2) 甘油易吸附在酶的表面，降低酶活性。

(3) 增加反应体系的均一性，减少传质阻力。

项目的创新点

(1)通过调整物质的量，反应时间，反应温度实现对二氧化钛纳米片的可控合成。

(2) 利用二氧化钛纳米片固定化酶。

谢谢大家！请批评指正！