一种多孔碳壳负载贵金属纳米酶的制备方法及应用

1.本发明涉及复合纳米材料制备领域，具体涉及一种多孔碳壳负载贵金属纳米酶的制备方法及应用。


背景技术：

2.碳元素在自然界中普遍存在，使得制备碳材料的原料可选择范围广泛，制备方法多种多样。大多数碳材料都具有良好的导电性和稳定性，在电化学、催化和生物医学等领域有深远的应用前景。同时，由于碳材料耐酸碱腐蚀，且易于表面修饰，常被用作基底材料。
3.贵金属催化剂在加氢、氧化等反应中有十分重要的地位，其尺寸和暴露晶面对催化反应的效率有重大影响。目前，贵金属催化剂的合成中仍存在尺寸调控的问题。由于贵金属成本较高，单独的贵金属纳米颗粒稳定性较差，普遍容易团聚失活，以碳壳为基底制备的贵金属复合纳米酶可以降低生产成本，提高纳米酶活性位点的分散性和稳定性。本发明提供的纳米碳壳负载贵金属制备方法不使用表面活性剂和稳定剂，避免了贵金属表面稳定剂分子导致的活性降低，负载方法简单，制备的贵金属纳米颗粒在碳壳载体上分布均匀。


技术实现要素：

4.针对以上技术问题，本发明公开了一种多孔碳壳负载贵金属纳米酶的制备方法及应用。通过不同硅源水解速率的调控获得不同孔径和内径的空心纳米碳壳，通过碳材料中孔道和静电作用将贵金属前驱体吸附在基底上，通过简单的还原方法制备出分散性良好的多孔碳壳负载贵金属纳米酶，利用碳材料的限域效应，实现贵金属晶体的尺寸调控，应用于比色法检测谷胱甘肽、半胱氨酸和抗坏血酸等生物小分子。
5.本发明的具体技术方案如下：
6.一种多孔碳壳负载贵金属纳米酶的制备及应用，其特征在于制备方法按照以下步骤：选取一定的硅源溶解于一定体积比(5：1)的乙醇/水的混合溶液中，加入氨水(质量浓度：9.375g/l)水解一定时间后，加入质量比为2：1的间苯二酚和甲醛，室温反应24小时，获得酚醛树脂包覆的二氧化硅纳米球，离心分离并在烘箱中干燥后，放入管式炉，在氮气气氛下碳化，用氢氧化钠溶液(4mol/l)去除二氧化硅，去离子水清洗至中性，离心收集并干燥；将所得空心碳壳与一定质量的贵金属前驱体分散于溶剂中，在一定的温度下还原得到多孔碳壳负载贵金属纳米酶。
7.优选地，其特征在于选取的硅源包括：硅酸四乙酯、硅酸四丙酯和硅酸四丁酯中的一种，体系中硅源的浓度为0.1-0.5mol/l。
8.优选地，其特征在于间苯二酚的浓度为3.5-17.5g/l，甲醛的浓度为1.75-8.75g/l。
9.优选地，其特征在于硅源水解时间为10-20分钟。
10.优选地，其特征在于升温速率为5℃/分钟，碳化温度为550-700℃，碳化时间为2-4小时。
11.优选地，其特征在于选取的溶剂包括：乙醇、乙二醇、二乙二醇。
12.优选地，其特征在于贵金属前驱体包括：氯金酸、氯铂酸和氯钯酸等，金属元素的浓度为1.25
×
10-4-2.5
×
10-3
mol/l。
13.优选地，其特征在于反应温度为25-100℃，时间为8-24小时。
具体实施方式
14.本发明技术方案不局限于下列实施例。
15.本发明的优选实施例详述如下：
16.实施例1：
17.(1)量取17.5ml乙醇和2.5ml去离子水混合均匀，加入0.75ml氨水，加入0.448ml硅酸四乙酯，水解10分钟，加入0.07g间苯二酚和0.098ml甲醛水溶液(质量分数35％)，室温反应24小时，离心分离获得酚醛树脂包覆的二氧化硅纳米球，在烘箱中干燥后，放入管式炉，在氮气气氛下以5℃/分钟升温速率升温至700℃，保持4小时。待产物冷却至室温后用氢氧化钠溶液(4mol/l)去除二氧化硅，去离子水清洗至中性，离心收集并干燥；
18.(2)将所得空心碳壳重新分散于20ml乙二醇中，加入0.1ml预配制的氯金酸溶液(金的物质量浓度0.025mol/l)充分搅拌溶解；
19.(3)将20ml前驱体在25℃反应8小时，产物用去离子水清洗，放入烘箱中45℃恒温干燥24小时。所得负载于多孔纳米碳壳的金颗粒尺寸为4-7nm。
20.(4)在试管中加入10μl浓度为5g/l的纳米酶水溶液、200μl tmb的dmso溶液(0.1mol/l)、200μl 双氧水溶液(10mol/l)，用醋酸-醋酸钠缓冲溶液稀释到总体积为10ml，混合均匀，在黑暗中静置30min，用0.22μm水系滤膜过滤；
21.(5)取2ml滤液置于比色皿中，量取10μl浓度为0-20μmol/l的谷胱甘肽溶液，充分混合1min，在紫外分光光度计中检测655nm处吸光度值，建立浓度-吸光度标准曲线。
22.(6)取2ml滤液置于比色皿中，加入10μl待测浓度的谷胱甘肽溶液，充分混合1min，在紫外分光光度计中检测655nm处吸光度值，带入标准曲线求得待测谷胱甘肽浓度。
23.实施例2：
24.同实施例1，不同之处在于硅源为0.577ml硅酸四丙酯。
25.实施例3：
26.同实施例1，不同之处在于硅源为0.713ml硅酸四丁酯。
27.实施例4：
28.同实施例1，不同之处在于加入的硅酸四乙酯为2.24ml。
29.实施例5：
30.同实施例1，不同之处在于硅源水解时间为20分钟。
31.实施例6：
32.同实施例1，不同之处在于加入间苯二酚和甲醛溶液的量分别为：0.35g和0.49ml。
33.实施例7：
34.同实施例1，不同之处在于碳化温度为550℃。
35.实施例8：
36.同实施例1，不同之处在于碳化时间为2小时。
37.实施例9：
38.同实施例8，不同之处在于还原反应溶剂为二乙二醇。
39.实施例10：
40.同实施例8，不同之处在于前驱体氯金酸溶液的加入量为2ml。所得负载于多孔纳米碳壳的金颗粒尺寸为33-160nm。
41.实施例11：
42.同实施例8，不同之处在于还原反应时间为24小时。
43.实施例12：
44.同实施例8，不同之处在于前驱体为氯铂酸溶液，还原反应温度为80℃。所得负载于多孔纳米碳壳的金颗粒尺寸为2-4nm。
45.实施例13：
46.同实施例8，不同之处在于前驱体为氯钯酸溶液，还原反应温度为100℃。所得负载于多孔纳米碳壳的金颗粒尺寸为2-9nm。


技术特征：
1.一种多孔碳壳负载贵金属纳米酶的制备方法及在小分子检测中的应用，其特征在于相应制备过程包含下述步骤：首先，将硅源溶解于体积比为5：1的乙醇/水混合溶液中，加入氨水(质量浓度：9.375g/l)进行水解10-20分钟后，再加入质量比为2：1的间苯二酚和甲醛，继续室温反应24小时，获得酚醛树脂包覆的二氧化硅纳米球；其次，将所得纳米球离心分离并干燥后，放入管式炉中，在氮气气氛下进行碳化反应，随后用氢氧化钠溶液(4mol/l)去除二氧化硅，并用去离子水清洗至中性，离心收集并干燥；最后，将所得空心碳壳与一定质量的贵金属前驱体分散于溶剂中，在反应温度范围为25-100℃，时间为8-24小时的条件下还原得到多孔碳壳负载贵金属纳米酶，金属晶体尺寸介于2-160nm，金属负载质量分数为7.8-65％。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于选取的硅源选自硅酸四乙酯、硅酸四丙酯和硅酸四丁酯中的一种，体系中硅源的浓度为0.1-0.5mol/l。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于间苯二酚的浓度范围为3.5-17.5g/l，甲醛的浓度范围为1.75-8.75g/l。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于升温速率为5℃/分钟，碳化温度为550-700℃，碳化时间为2-4小时。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还原反应使用的溶剂选自乙醇、乙二醇、二乙二醇中的一种。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于贵金属前驱体选自氯金酸、氯铂酸和氯钯酸中的一种，金属元素的浓度为1.25
×
10-4-2.5
×
10-3
mol/l。

技术总结
本发明提供一种多孔碳壳负载贵金属纳米酶的制备方法及应用，该方法以硅源和酚醛树脂竞争性反应合成纳米二氧化硅@酚醛树脂前体，经过高温煅烧和碱溶液刻蚀，得到纳米多孔碳壳。将纳米多孔碳壳与贵金属前驱体在溶液中充分混合，通过纳米孔道的物理和静电作用，使贵金属元素附着在多孔碳壳表面，最后使用还原剂原位还原金属离子得到多孔碳壳负载贵金属纳米酶。本发明涉及的制备方法简易，制备的纳米酶金属负载质量分数7.8-65％，具备类过氧化物酶活性，可以催化氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)显色，还可以用于比色法检测谷胱甘肽、半胱氨酸和抗坏血酸等生物小分子。胱氨酸和抗坏血酸等生物小分子。


技术研发人员：孙剑 陈欣妍 黄淑君 贺滨 叶俊青
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2023/9/22