具有类碳酸酐酶活性铁基氮掺杂碳质材料的制备以及应用

1.本发明属于具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料，具体涉及一种具有类碳酸酐酶活性铁基氮掺杂碳质材料的制备以及应用。


背景技术：

2.随着人类社会对能源和化石燃料需求的增加，二氧化碳(co2)排放渐渐成为一个严重的气候问题。物理吸附和化学封存等方法虽早已被应用于应对二氧化碳危机问题，但普遍存在成本高，设备再生要求高，二次污染等缺点。相比之下，碳酸酐酶(ca)催化的co2水合因其在温和条件下的高催化活性和选择性而成为co2固定的有效工具。然而，由于ca固有的缺陷，包括不稳定性，敏感性和高成本等，导致ca催化co2的生物转化应用非常受限。纳米酶是一类具有天然酶活性的纳米材料，它可以由贵金属氧化物、非贵金属氧化物及碳材料制备得到。由于纳米酶具有成本效益高、稳定性好、耐久性好、可循环利用、活性可调的优点，近几年得到了蓬勃发展。为了解决这些问题，一些由超分子、纳米材料、mof和聚合物等材料制备的的类ca活性的纳米酶已经被广泛探索。由于天然ca固有的活性中心，大多数类ca活性的纳米酶是通过锌离子与唑类衍生物配位来制备的，例如组氨酸bola两亲分子(his-c7)、氮杂-大环配体、苯并噻唑基希夫碱配体、三氮唑类、部分亲水和疏水性三脚架配体等等。
3.此外，其它金属作为活性位点的类ca活性的纳米酶也被探索。例如，以金属钴作为活性中心将其负载到多孔有机聚合物(co-bbp)上，以形成混合基质膜(mmms)，从而实现co2的有效捕获。例如制备了一种氧化钼纳米胶囊来模拟ca的活性，其中为co2分子保留的空的配位点和催化剂内部的co2分子与水形成的氢键确保了co2的顺利水合。例如制备的ni nps可以生成ni(oh)
x
来提高反应液的碱性从而打破水合过程中对ph的依赖。
4.然而，制备工艺的繁琐、昂贵配体的使用、金属的高负载量等缺点限制了它们在可持续工业生产中的应用。因此，具有高催化效率和经济效益的类ca活性的纳米酶的合理设计仍然值得被探索。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有类碳酸酐酶活性铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)，属于一种铁基纳米酶，本发明制备的fe10@cn-mg具有非常优异的类碳酸酐酶样活性，同时解决了现有技术中繁琐的制备工艺、昂贵的成本和二次污染等问题。
6.本发明另一个目的是提供了所述具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料fe10@cn-mg的制备方法。
7.本发明第三个目的是提供了所述具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料fe10@cn-mg在模拟碳酸酐酶活性以及二氧化碳水合和转化中的应用。
8.技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺
杂碳质材料(fe10@cn-mg)，所述材料中大部分的铁物质以单原子的形式均匀地分布在氮掺杂碳上，几乎没有或者极其少量的铁以颗粒的形式存在，此外氢氧化镁以纳米棒的形式存在并布在氮掺杂碳周围。
9.所述材料中的fen
x
活性位点和mg(oh)2纳米棒的协同催化作用发挥了优异的类碳酸酐酶活性。
10.其中，所述(fe10@cn-mg)主要是采用共沉淀法和高温碳化法制备而成。
11.本发明所述的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)制备方法，包括以下步骤：
12.(1)将苯胺、2-甲基咪唑和水混合搅拌以获得均相溶液；
13.(2)将六水合硝酸锌、铁源和水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；
14.(3)将步骤(2)中的均相混合物搅拌反应；
15.(4)将步骤(3)反应体系离心后取沉淀，将沉淀物清洗干燥；
16.(5)取步骤(4)中干燥后沉淀物和氧化镁在有机溶剂中搅拌后得到混合溶液，旋干混合溶液，得到干燥的前驱体粉末；
17.(6)将步骤(5)中干燥的前驱体粉末隔绝空气高温加热得到黑色粉末；
18.(7)将步骤(6)中的黑色粉末进行刻蚀，离心取沉淀，将沉淀物清洗干燥，最终得到具有mg(oh)2纳米棒的铁基氮掺杂碳基材料(fe10@cn-mg)。
19.其中，所述制备方法中搅拌均在室温下进行。
20.其中，所述苯胺、2-甲基咪唑、六水合硝酸锌、铁源的摩尔比例为40-50：40-50：10-15：1-2。
21.作为优选，所述苯胺、2-甲基咪唑、六水合硝酸锌、铁源的摩尔比例为40：40：10：1。
22.作为优选，步骤(1)中苯胺和二甲基咪唑的投料摩尔比为1：1～1：2，优选1：1；水的用量为80-100ml，优选80ml。
23.其中，步骤(2)所述铁源为七水合硫酸亚铁。
24.其中，步骤(3)所述均相混合物在室温下搅拌反应3-6h。
25.作为优选，步骤(3)中均相混合物在室温下搅拌反应4h。
26.其中，步骤(5)中2-3g干燥后沉淀物和2-3g氧化镁在50-100ml无水乙醇中常温搅拌12-15h。
27.作为优选，步骤(5)中2g干燥后的沉淀物和3g氧化镁在50ml无水乙醇中常温搅拌12h。
28.其中，步骤(6)中以升温速率为5-10℃/min升至900-1000℃，并在该温度下保持1-3h。
29.作为优选，步骤(6)中以升温速率为5℃/min升至900℃，并在该温度下保持2h。
30.其中，步骤(7)中的黑色粉末在hno3溶液中刻蚀1-3h。
31.作为优选，步骤(7)所述hno3为80ml hno3(1m)溶液，刻蚀2h。
32.其中，步骤(4)和(7)中沉淀物恒温干燥温度为40-60℃，优选60℃。
33.本发明所述的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)在模拟碳酸酐酶活性中的应用。
34.其中，利用所述的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料fe10@cn-mg用于评
估其模拟类碳酸酐酶的活性，包括如下步骤：基于碳酸酐酶具有的酯水解能力，根据p-npa(乙酰对硝基苯酯)的水解显色反应，通过比色测定法评估了fe10@cn-mg的类碳酸酐酶样活性。无色的p-npa水解后，可以在uv 402nm下监测到黄色产物p-np(对硝基苯酚)的吸收波长。最终根据标准p-np的校准曲线所得y＝0.0166x+0.0226的公式评估所得p-np的浓度(x代表p-np的吸光度，y代表p-np的浓度)。
35.本发明所述的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)在二氧化碳水合和二氧化碳增值转化中的应用。
36.其中，应用于二氧化碳水合的方法，包括如下步骤：二氧化碳、fe10@cn-mg、(50mm ph＝8)pbs缓冲溶液在室温下振荡反应30min，反应结束后，通过离心取上清液。在上清液中引入过量饱和的cacl2溶液，常温搅拌1h后再静置2h，离心取沉淀，干燥后称量沉淀的质量。
37.其中，应用于二氧化碳转化的方法，包括如下步骤：不同的环氧化合物与fe10@cn-mg、四丁基溴化铵(tbab)及甲苯在80℃下振荡反应8h。反应结束后，通过gc-ms确定产率，再通过柱层析的方法来分离产物。
38.本发明以七水合硫酸亚铁作为铁源，采用共沉淀法在室温条件下制备得到干燥的沉淀物，将干燥的沉淀物与氧化镁在无水乙醇中常温搅拌反应12h得到混合溶液，再通过旋转蒸发仪将混合溶液旋干后得到前驱体粉末。前驱体粉末经高温热解后，得到黑色的粉末。最后将黑色粉末在一定量的hno3溶液中刻蚀，离心取沉淀，将沉淀物清洗，清洗后的沉淀物呈中性经恒温干燥，最终得到具有mg(oh)2纳米棒的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)。在催化乙酰对硝基苯酯(p-npa)水解反应中，fe10@cn-mg催化得到的水解产物在402nm处具有较高的吸收峰，这表明本发明所制得的fe10@cn-mg具有优异的类碳酸酐酶样活性。将其用于二氧化碳水合和转化反应中表明，在最佳配比条件下，fe10@cn-mg具有与已报道的较优的类碳酸酐酶活性纳米酶可相比拟的米氏常数和最大反应速率值。此外，fe10@cn-mg还具有最优的碳酸钙沉淀速率，这些都表明了fe10@cn-mg较优的催化效率，且显现出了极其可观的工业化应用前景。
39.本发明制备的纳米材料具有较低的金属(铁)含量(2.4141wt.％)，且制备成本低(0.93rmb/g)，但它依旧具有与其它已报道的类ca纳米酶可相媲美的动力学常数(k
m 6.37mm，v
max 30.74mm/min)和优异的caco3形成速率(618mg/h)。该材料即使在极端ph、高温、有机溶剂和高离子强度下也表现出优异的稳定性，在长时间储存(2个月)和7次回收后仍能保持高活性。此外，fe10@cn-mg还成功被应用于催化co2向具有生物与医药应用价值的环状碳酸酯的转化。
40.本发明材料的制备打破了传统碳酸酐酶模拟酶以金属锌作为活性位点的设计局限，首次实现以非贵金属铁作为活性中心，发挥出优异的类碳酸酐酶活性。不仅如此，fe10@cn-mg的制备成本仅为0.93rmb/g，具有优异的工业化应用价值，且解决了现有技术中繁琐的制备工艺、昂贵的成本和二次污染等问题。
41.本发明将fen
x
位点和mgo在一种材料中结合发挥优异的类ca活性，有效的类ca活性的纳米酶应同时含有路易斯酸性位点和碱性位点，并通过模拟类碳酸酐酶活性证明其有优异的催化活性。
42.本发明打破了传统的以金属锌作为催化中心的设计理念，首次以非贵金属铁为金属中心，结合mgo材料对于co2具有的较强理论吸附能力，设计了具有类碳酸酐酶活性的铁
基纳米酶。
43.本发明主要是通过设计具有类碳酸酐酶活性的铁基纳米酶来实现对二氧化碳的有效水合与转化。本发明一方面克服了天然碳酸酐酶的固有缺陷，另一方面为探索更多种类的金属中心和低金属含量的类ca活性纳米酶提供了新的可能性。
44.本发明制备的铁基纳米酶因为其中的fen
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位点和mg(oh)2纳米棒发挥了协同催化作用，虽然整个材料具有较低的金属含量且制备成本低，但它依旧具有与其它已报道的类ca纳米酶可相媲美的动力学常数和优异的caco3形成速率的。
45.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
46.(1)本发明制备了一种具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料fe10@cn-mg，铁单原子锚定氮掺杂碳中的fen
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结构在电子、几何和化学结构方面与天然酶的活性中心相似。与已报道的较优的类碳酸酐酶活性纳米酶相比，fe10@cn-mg表现出优异的km(米氏常数)和v
max
(最大速率)，表明fe10@cn-mg具有较优的类碳酸酐酶活性。
47.(2)fe10@cn-mg的催化稳定性优于天然碳酸酐酶，它在极端ph值、较高温度、高离子强度、不同有机溶剂、不同浓度的乙醇溶液和长时间储存的情况下都能很好地发挥作用，并且至少可以重复使用7次。
48.(3)本发明制备工艺简单、不需要使用昂贵配体、金属的高负载量低，可以保证其在可持续工业生产中的应用。本发明的fe10@cn-mg可以应用于二氧化碳水合和转化的克级反应中，且表现出优异的水合能力和转化效率，有非常广阔的工业化应用前景。
附图说明
49.图1为本发明的摘要图；
50.图2为fe10@cn-mg的制备流程图；
51.图3为对照品p-np的标准曲线；
52.图4为不同催化剂模拟ca活性的测试结果图；
53.图5为fe10@cn-mg催化动力学性能评估图；
54.图6为所制备的fe10@cn-mg在不同参数下类ca活性的测试图；
55.图7为所制备的fe10@cn-mg应用于二氧化碳水合的图片；
56.图8为所制备的fe10@cn-mg应用于二氧化碳转化的图片；
57.图9为环状碳酸酯3a的1h nmr图谱；
58.图10为环状碳酸酯3b的1h nmr图谱；
59.图11为fe10@cn-mg与碳酸酐酶在不同测试条件下的稳定性评估。
60.图12为所制备的fe10@cn-mg的x射线衍射图(xrd)；
61.图13为所制备的fe10@cn-mg的高分辨的透射电镜图(hrtem)和mapping图；
62.图14为所制备的fe10@cn-mg的透射电镜图(tem)；
63.图15为所制备的fe10@cn-mg的比表面积分析图(bet)；
64.图16为所制备的fe10@cn-mg与fe10@cn的co2程序升温脱附(co
2-tpd)比较图；
65.图17为所制备的fe10@cn-mg的xps分析图。
具体实施方式
66.下面结合实施例对本发明的技术方案进一步介绍如下。介绍具体实施例前，对本发明中所用部分物料及实验装置的情况简要介绍如下。
67.下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂家建议的条件。其中，七水合硫酸亚铁和六水合硝酸锌(购自国药基团化学试剂有限公司，中国)；氯化钠和无水乙醇(购自阿拉丁试剂有限公司，中国)；苯胺(购自sigma-aldrich，中国上海)；2-甲基咪唑，氧化镁(mgo)，四丁基溴化铵(tbab)，乙酰对硝基苯酯(p-npa)和对硝基苯酚(p-np)(购自麦克林生化有限公司，中国)。碳酸酐酶(ca)(购自上海源叶生物科技有限公司，100u，中国)，二氧化碳(co2)(购自中国南京业浩气体有限公司，中国)。本研究中使用的所有化学试剂均为分析级。
68.所涉及到到实验仪器有：
69.x射线衍射仪(xrd),日本amatlab9；
70.透射电子显微镜(tem),fei tecnai g2 f20 s-twin；
71.bet表面积和孔径测量，micromeritics asap 2020仪器；
72.紫外光谱测量，紫外分光光度计uv-1800pc；
73.co
2-tpd，autochem 1ii 2920；
74.xps，escalab 250xi spectrometer(thermo scientific,usa)。
75.实施例1
76.本实施例主要就具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)的制备过程简要介绍如下。首先需要说明的是，本技术中fe10@cn-mg主要是采用共沉淀法和高温碳化法制备而成。共沉淀法，是指在溶液中含有两种和多种阳离子时，各种阳离子以均相存在于溶液中，随着沉淀剂的加入，经沉淀反应后，可得到各类成分均匀的沉淀。高温碳化法，是指固体在隔绝空气条件下加热分解的反应过程。两种方法的结合，具有制备工艺简单，合成周期短，制备易操作等优点。在反应过程中，苯胺的加入有利于形成粒径较小的沉淀，从而获得更高的比表面积；另外，苯胺作为一种氮源，可以改善铁原子的分散性，以获得更均匀的体系。氧化镁的加入不仅有助于催化剂形成多孔结构，还使催化剂具有更丰富的碱性位点。本发明所制备的类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)在“碳达峰，碳中和”的大时代背景下具有重要应用前景(图1)。
77.本实例所制备的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)，采用如下步骤制备而成(如图2)：
78.(1)在室温下将苯胺(32mmol,2.92ml)、2-甲基咪唑(32mmol,2.62g)和水(80ml)混合并以500rpm的转速搅拌以获得均相溶液；
79.(2)将六水硝酸锌(8mmol,2.37g)、七水合硫酸亚铁(0.8mmol,222.4mg)和80ml的水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；
80.(3)将步骤(2)中的均相混合物在室温下以500rpm的转速搅拌反应4h；
81.(4)将步骤(3)反应体系离心取沉淀，将沉淀物清洗；清洗后沉淀物60℃恒温干燥；
82.(5)取步骤(4)中干燥后沉淀物(2g)和氧化镁(3g)在无水乙醇(50ml)溶液中常温以500rpm的转速搅拌12h后得到混合溶液，后通过旋转蒸发仪旋干混合溶液，得到干燥的前
驱体粉末；
83.(6)将步骤(5)中干燥的前驱体粉末隔绝空气在炉中以5℃/min的升温速率从室温升至900℃，并在该温度下保持2h，得到黑色粉末；
84.(7)将步骤(6)中获得的全部黑色粉末在80ml的1m hno3溶液中刻蚀2h，离心取沉淀，将沉淀物水洗至中性后60℃干燥过夜，最终得到具有mg(oh)2纳米棒的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)，即本发明具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料。
85.对比例1：
86.fe3@cn-mg的制备
87.(1)在室温下将苯胺(32mmol,2.92ml)、2-甲基咪唑(32mmol,2.62g)和水混合并剧烈搅拌以获得均相溶液；
88.(2)将六水硝酸锌(6mmol,1.78g)、七水合硫酸亚铁(2mmol,556mg)和80ml的水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；
89.(3)将步骤(2)中的均相混合物在室温下搅拌反应4h；
90.(4)将步骤(3)反应体系离心取沉淀，将沉淀物清洗；清洗后沉淀物60℃恒温干燥；
91.(5)取步骤(4)中干燥后沉淀物(2g)和氧化镁(3g)在无水乙醇(50ml)溶液中常温搅拌12h后得到混合溶液，后通过旋转蒸发仪旋干混合溶液，得到干燥的前驱体粉末；
92.(6)将步骤(5)中干燥的前驱体粉末隔绝空气在炉中以5℃/min的升温速率从室温升至900℃，并在该温度下保持2h，得到黑色粉末；
93.(7)将步骤(6)中获得的全部黑色粉末在80ml的1m hno3溶液中刻蚀2h，离心取沉淀，将沉淀物水洗至中性后60℃干燥过夜，最终得到具有mg(oh)2纳米棒的铁基氮掺杂碳质材料(fe3@cn-mg)。
94.对比例2：
95.fe20@cn-mg的制备
96.(1)在室温下将苯胺(32mmol,2.92ml)、2-甲基咪唑(32mmol,2.62g)和水混合并剧烈搅拌以获得均相溶液；
97.(2)将六水硝酸锌(8mmol,2.37g)、七水合硫酸亚铁(0.4mmol,111.2mg)和80ml的水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；
98.(3)将步骤(2)中的均相混合物在室温下搅拌反应4h；
99.(4)将步骤(3)反应体系离心取沉淀，将沉淀物清洗；清洗后沉淀物60℃恒温干燥；
100.(5)取步骤(4)中干燥后沉淀物(2g)和氧化镁(3g)在无水乙醇(50ml)溶液中常温搅拌12h后得到混合溶液，后通过旋转蒸发仪旋干混合溶液，得到干燥的前驱体粉末；
101.(6)将步骤(5)中干燥的前驱体粉末隔绝空气在炉中以5℃/min的升温速率从室温升至900℃，并在该温度下保持2h，得到黑色粉末；
102.(7)将步骤(6)中获得的全部黑色粉末在80ml的1m hno3溶液中刻蚀2h，离心取沉淀，将沉淀物水洗至中性后60℃干燥过夜，最终得到具有mg(oh)2纳米棒的铁基氮掺杂碳质材料(fe20@cn-mg)。
103.对比例3：
104.fe10@cn的制备
105.(1)在室温下将苯胺(32mmol,2.92ml)、2-甲基咪唑(32mmol,2.62g)和水(80ml)混
合并剧烈搅拌以获得均相溶液；
106.(2)将六水硝酸锌(8mmol,2.37g)、七水合硫酸亚铁(0.8mmol,222.4mg)和80ml的水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；
107.(3)将步骤(2)中的均相混合物在室温下搅拌反应4h；
108.(4)将步骤(3)反应体系离心取沉淀，将沉淀物清洗；清洗后沉淀物60℃恒温干燥；
109.(5)将步骤(4)中干燥的沉淀物隔绝空气在炉中以5℃/min的升温速率从室温升至900℃，并在该温度下保持2h，得到黑色粉末；
110.(6)将步骤(5)中的黑色粉末在80ml的1m hno3溶液中刻蚀2h，离心取沉淀，将沉淀物水洗至中性后60℃干燥过夜，最终得到铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn)。
111.对比例4：
112.cn-mg的制备
113.(1)在室温下将苯胺(32mmol,2.92ml)、2-甲基咪唑(32mmol,2.62g)和水(80ml)混合并剧烈搅拌以获得均相溶液；
114.(2)将六水硝酸锌(8mmol,2.37g)和80ml的水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；
115.(3)将步骤(2)中的均相混合物在室温下搅拌反应4h；
116.(4)将步骤(3)反应体系离心取沉淀，将沉淀物清洗；清洗后沉淀物60℃恒温干燥；
117.(5)取步骤(4)中干燥后沉淀物(2g)和氧化镁(3g)在无水乙醇(50ml)溶液中常温搅拌12h后得到混合溶液，后通过旋转蒸发仪旋干混合溶液，得到干燥的前驱体粉末；
118.(6)将步骤(5)中干燥的前驱体粉末隔绝空气在炉中以5℃/min的升温速率从室温升至900℃，并在该温度下保持2h，得到黑色粉末；
119.(7)将步骤(6)中获得的全部黑色粉末在80ml的1m hno3溶液中刻蚀2h，离心取沉淀，将沉淀物水洗至中性后60℃干燥过夜，最终得到具有mg(oh)2纳米棒的氮掺杂碳质材料(cn-mg)。
120.对比例5：
121.cn的制备
122.(1)在室温下将苯胺(32mmol,2.92ml)、2-甲基咪唑(32mmol,2.62g)和水(80ml)混合并剧烈搅拌以获得均相溶液；
123.(2)将六水硝酸锌(8mmol,2.37g)和80ml的水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；
124.(3)将步骤(2)中的均相混合物在室温下搅拌反应4h；
125.(4)将步骤(3)反应体系离心取沉淀，将沉淀物清洗；清洗后沉淀物60℃恒温干燥；
126.(5)将步骤(4)中干燥的沉淀物隔绝空气在炉中以5℃/min的升温速率从室温升至900℃，并在该温度下保持2h，得到黑色粉末；
127.(6)将步骤(5)中的黑色粉末在80ml的1m hno3溶液中刻蚀2h，离心取沉淀，将沉淀物水洗至中性后60℃干燥过夜，最终得到氮掺杂碳质材料(cn)。
128.实施例2
129.模拟碳酸酐酶活性的评估
130.为检验本发明所提供的具有mg(oh)2纳米棒的铁基氮掺杂碳质材料fe10@cn-mg具
有最优的类碳酸酐酶活性,以实施例1所制备的fe10@cn-mg为基础，与对比例1-4做了进一步的对比实验验证，相关实验过程如下。基于碳酸酐酶具有的酯水解能力，根据p-npa(乙酰对硝基苯酯)的水解显色反应，通过比色测定法评估了fe10@cn-mg的碳酸酐酶样活性。在无色p-npa水解后，可以在uv 402nm下监测到黄色产物p-np(对硝基苯酚)的吸收波长。在典型实验中，在5ml离心管中，依次加入250μl fe10@cn-mg(1mg/ml)的水溶液、100μl p-npa(1mm)和2150μl pbs缓冲溶液(ph 7.4，10mm)。室温下将上述反应溶液在长轴混旋仪上反应30分钟。然后，通过离心(1000rpm，3min)获得上清液，并在402nm处进一步监测。此外，将fe10@cn-mg替换为对比例1-4制备的产物分别进行了模拟酶活实验。为便于测定和评价fe10@cn-mg模拟碳酸酐酶的活性，借助分光光度计建立p-np吸光度与浓度的线性关系。具体过程为：不同浓度的p-np(0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100μm)在402nm处检测其吸光度值，并绘制出标准曲线(图3)。最终根据标准p-np的校准曲线所得y＝0.0166x+0.0226(x代表p-np的吸光度，y代表p-np的浓度)的公式评估fe10@cn-mg和对比例1-4的产物催化p-npa水解的能力，进而评价fe10@cn-mg和对比例1-4具有的碳酸酐酶活性。结果如图4所示，fe10@cn-mg表现出最佳类碳酸酐酶活性。
131.此外，对实施例1所制备的fe10@cn-mg催化不同浓度(0.025mm,0.25mm,0.5mm,1mm,2mm,3mm)p-npa的水解进行了研究。根据动力学公式v＝(v
max
×
[s])/(km+[s])(其中，[s]代表底物的浓度，v代表表观初始反应速率，v
max
代表最大反应速率，km代表米氏常数)计算得到fe10@cn-mg的动力学常数为v
max
＝30.74mm/min，km＝6.37mm。相比于已报道的最优的碳酸酐酶模拟酶，fe10@cn-mg的金属负载量虽然低，但依旧具有优异的动力学常数(图5)。
[0132]
实施例3
[0133]
模拟碳酸酐酶活性的参数实验
[0134]
为检验本发明所提供的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料fe10@cn-mg在不同参数考量下模拟碳酸酐酶活性的技术效果。以实施例1所制备的fe10@cn-mg为基础，做了进一步的实验检验，相关实验过程如下。
[0135]
在实施例2的酶活测试实验基础上，按实施例2的方法，进一步研究了fe10@cn-mg的催化参数，包括反应的时间(0-30min)、fe10@cn-mg的浓度(0.010,0.050,0.075,0.100,0.200mg/ml)、底物p-npa的浓度(0.25,0.5,1.0,2.0,3.0mm)和p-npa本身在402nm处的紫外吸收的影响(图6)。结果证明，随着时间的延长，fe10@cn-mg对p-npa的水解更彻底。此外，催化剂的浓度和底物的浓度越大，p-npa水解得越快。p-npa本身在402nm处的紫外吸收的影响可以忽略。
[0136]
实施例4
[0137]
二氧化碳的水合与转化
[0138]
为检验本发明所提供的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料fe10@cn-mg相比于对比例3-5在二氧化碳的水合中具有最优的技术效果。以实施例1所制备的fe10@cn-mg和对比例3-5为基础，做了进一步的实验检验，相关实验过程如下。
[0139]
为了评估fe10@cn-mg和对比例3-5水合co2的能力，将co2气体以60ml/min的速率通入含有1mg/ml fe10@cn-mg(或者对比例3-5的产物)的30ml pbs缓冲溶液中(ph 8.0，50mm)，室温持续反应30分钟。水合过程完成后，通过离心除去fe10@cn-mg，并在上清液中引
入过量的cacl2溶液(4m)，常温搅拌1小时后再静置2小时，观察到caco3沉淀。将所得caco3沉淀离心收集，并在60℃真空下干燥过夜。caco3的质量最终被加权并记录。此外，还进行了不添加fe10@cn-mg的空白对照实验和mg(oh)2对照实验。在不同的催化条件下，所得caco3沉淀被统计于(图7)中。综合fe10@cn-mg与对比例3-5在二氧化碳水合中的结果，进一步表明了实施例1所制备的fe10@cn-mg对催化co2的水合起着至关重要的作用。
[0140]
此外，通过co2和环氧化物的反应研究了co2的转化，所得环状碳酸酯化合物在药物化学、生物医学等领域具有广泛的应用。具体实验过程为：将0.1mmol环氧化物(2-苯基环氧乙烷、2-(4-氯苯基)环氧乙烷、2-(苯氧甲基)环氧乙烷、或者2-[(2-丙烯-1-基氧基)甲基]环氧乙烷和2-(丁氧基甲基)环氧乙烷)与10mg实施例1制备的fe10@cn-mg(4.3mmol％的[fe])和0.5当量的tbab在80℃的co2气氛下反应8小时。完成后，用乙酸乙酯(6ml)稀释反应溶液，通过层层覆盖在硅藻土上的硅胶床过滤(etoac：石油醚＝1：1)。然后，通过旋转蒸发除去挥发物，然后将得到的粗产品通过gc-ms测其产率(图8)。为了进一步确认产物的性质，选择了产物3a和3b进行了进一步的1h nmr表征(图9和图10)。此外，将上述步骤扩大100倍，依旧可以获得较高的产率(98％)。结果表明，fe10@cn-mg为co2转化为其它重要化学品提供了可行的方法。此外，环氧化合物克级实验的成功意味着fe10@cn-mg在工业化应用中的潜力。
[0141]
实施例5
[0142]
稳定性考察
[0143]
本发明对铁单原子锚定氮掺杂的碳材料fe10@cn-mg的稳定性进行考察，以评估其在极端环境下的作用效果，并且和碳酸酐酶进行了对比。分别考察了温度、ph、有机溶剂、乙醇浓度、离子强度、储存时间和循环次数等因素(图11)。详细的酶活测量过程：在测酶活前，将fe10@cn-mg和碳酸酐酶分别在不同的变量条件下处理后再进一步使用。其中碳酸酐酶为：100u碳酸酐酶取1mg酶，加入到1ml超纯水中。
[0144]
在5ml离心管中，依次加入250μl fe10@cn-mg(1mg/ml)或者250μl碳酸酐酶溶液(1mg/ml)(均经过上述温度、ph、有机溶剂、乙醇浓度、离子强度、储存时间和循环次数等因素变量处理的)、100μl p-npa(1mm)和2150μl的缓冲溶液。室温下将上述反应溶液在长轴混旋仪上反应30分钟。然后，通过离心(1000rpm，3min)获得上清液，并在402nm处进一步监测。其中，温度为直接将250ul的催化剂在不同温度中孵育两小时；ph为将反应时用的缓冲溶液换成在不同ph缓冲溶液中进行反应；有机溶剂为将缓冲溶液换成有机溶剂；离子浓度为不同离子浓度称取对应的nacl固体，投入250ul的催化剂中，再进行孵育。
[0145]
温度效应测试：
[0146]
fe10@cn-mg或碳酸酐酶在不同温度(37℃，50℃，80℃，100℃或130℃)下孵育2h，然后评估它们的催化活性。相对活性可以通过与37℃下的活性进行比较得出。
[0147]
从图11(a)可以看出：fe10@cn-mg在130℃时仍能保持高活性，而碳酸酐酶(ca)的活性在80℃时活性开始显著下降，甚至在100℃时失去活性。因此，fe10@cn-mg是一种有效的催化剂，具有比碳酸酐酶更好的温度耐受性。
[0148]
有机溶剂效应测试：
[0149]
fe10@cn-mg或碳酸酐酶在不同有机溶剂(甲醇、dmf或dmso)中37℃孵育12h。相对活性可以通过与在pbs缓冲液(ph 7.4)中孵育的活性进行比较得出。
[0150]
从图11(b)可以看出：经dmso、dmf或meoh处理后，fe10@cn-mg仍保持高活性，而碳酸酐酶ca的活性显著降低甚至失去活性。
[0151]
乙醇浓度效应测试：
[0152]
fe10@cn-mg或碳酸酐酶与不同浓度的乙醇(0％，10％，30％，50％或60％)一起室温孵育2h。相对活性可以通过与0％乙醇一起孵育时的活性进行比较来获得。加入不同的乙醇体积比，以反映有机溶剂含量对碳酸酐酶ca样活性的影响。
[0153]
从图11(c)可以看出：fe10@cn-mg的活性随着乙醇浓度的增大，活性显著提高，然而，高浓度的乙醇会抑制碳酸酐酶的活性，说明在高浓度的乙醇的作用下，fe10@cn-mg比碳酸酐酶具有更好的稳定性和催化活性。
[0154]
离子强度效应测试：
[0155]
将fe10@cn-mg或碳酸酐酶在不同浓度的nacl水溶液(0m，0.1m，0.25m，0.5m或1.0m)中室温孵育12h，然后评估它们的催化活性。通过与nacl水溶液在0m处的活性进行比较，可以获得相对活性。
[0156]
从图11(d)可以看出：随着nacl浓度的增加，由于强离子强度对碳酸酐酶的电荷分布和空间结构的影响，其活性迅速下降甚至丧失。然而，随着离子浓度的增加，fe10@cn-mg仍能保持较高的催化活性并表现出较高的离子耐受性。
[0157]
储存稳定性测试：
[0158]
fe10@cn-mg或碳酸酐酶(1mg/ml，250μl)在室温下储存，其活性每7/10/20天测量一次。相对活性可以通过与新鲜fe10@cn-mg或碳酸酐酶的活性进行比较来确定。
[0159]
从图11(e)可以看出：fe10@cn-mg在储存2个月后仍保持89％的活性，对水和氧气表现出更稳定的特性。碳酸酐酶的活性随着时间的推移而显著降低，且最终完全失去活性。
[0160]
循环测试：
[0161]
fe10@cn-mg(1mg/ml，250μl)和p-npa(1mm，100μl)与pbs缓冲溶液(ph 7.4，10mm，2150μl)在25℃下混合反应30分钟。反应完成后，通过离心(10000rpm，5min)收集fe10@cn-mg，再用水洗涤三次，然后重新用于下一轮反应循环。
[0162]
从图11(f)可以看出：fe10@cn-mg在重复使用七次后仍能保持85％的活性。
[0163]
实施例6
[0164]
材料表征
[0165]
对于实施例1所制备的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)进行了x射线衍射分析(xrd)、透射电镜(tem)形貌分析、比表面积分析(bet)等材料表征分析，同时进行了模拟生物酶活性的分析。结合图12，图13和图14，从图中可以发现，fe10@cn-mg材料中只存在极少的铁颗粒的特征峰，表明fe10@cn-mg中铁物种可能都以铁单原子的形式存在。此外，根据hrtem和mapping中mg、o的分布证明氢氧化镁以纳米棒的形式存在并分布在氮掺杂碳周围。如图15所示，fe10@cn-mg具有较大的比表面积(140.9m2/g)。如图16所示，fe10@cn-mg和fe10@cn的二氧化碳程序升温脱附图表明fe10@cn-mg具有比fe10@cn多的碱性位点。如图7所示，fe10@cn-mg具有优异的co2水合能力。如图17所示，通过xps分峰证明材料中fen
x
位点的存在。如图8所示，fe10@cn-mg具有优异的co2增值转化能力。如图11所示，相比于碳酸酐酶，fe10@cn-mg具有更好的稳定性。
[0166]
总体而言，本发明中具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)制
备工艺较为成熟，可操作性强。fe10@cn-mg相比于天然碳酸酐酶，稳定性更好，因为它能在极端ph、高温、高离子强度、有机溶剂、不同乙醇浓度和较长储存时间下工作，并且至少可重复使用7次。不仅如此，它为解决二氧化碳危机问题提供了新的途径，显现出良好的应用前景。
[0167]
实施例7
[0168]
实施例7与实施例1的制备方法相同，不同之处在于：苯胺、2-甲基咪唑、六水合硝酸锌、铁源的比例为50：50：15：2；步骤(3)所述均相混合物在室温下搅拌500rpm反应3h。步骤(5)中3g干燥后沉淀物和2g氧化镁在100ml无水乙醇中常温500rpm搅拌15h。步骤(6)中以升温速率为10℃/min升至1000℃，并在该温度下保持1h。
[0169]
实施例8
[0170]
实施例8与实施例1的制备方法相同，不同之处在于：苯胺、2-甲基咪唑、六水合硝酸锌、铁源的比例为45：45：12：1.5；步骤(3)所述均相混合物在室温下搅拌500rpm反应6h。步骤(5)中2.5g干燥后沉淀物和2.5g氧化镁在75ml无水乙醇中常温500rpm搅拌14h。步骤(6)中以升温速率为10℃/min升至950℃，并在该温度下保持2h。

技术特征：
1.一种具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)，其特征在于，所述材料中大部分的铁物质以单原子的形式均匀地分布在氮掺杂碳上，极少量的铁以颗粒的形式存在，同时氢氧化镁以纳米棒的形式存在并分布在氮掺杂碳周围。2.一种权利要求1所述的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将苯胺、2-甲基咪唑和水混合搅拌以获得均相溶液；(2)将六水合硝酸锌、铁源和水混合均匀后加入步骤(1)中的均相溶液中；(3)将步骤(2)中的均相混合物搅拌反应；(4)将步骤(3)反应体系离心取沉淀，将沉淀物清洗干燥；(5)取步骤(4)中干燥后沉淀物和氧化镁在有机溶剂中搅拌以得到混合溶液，旋干混合溶液，得到干燥的前驱体粉末；(6)将步骤(5)中干燥的前驱体粉末隔绝空气高温加热得到黑色粉末；(7)将步骤(6)中的黑色粉末进行刻蚀，离心取沉淀，将沉淀物清洗干燥，最终得到具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法中搅拌均在室温下进行。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述苯胺、2-甲基咪唑、六水合硝酸锌、铁源的摩尔比例为40-50：40-50：10-15：1-2。5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述铁源为七水合硫酸亚铁。6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述均相混合物在室温下搅拌反应3-6h。7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中2-3g干燥后沉淀物和2-3g氧化镁在50-100ml无水乙醇中常温搅拌12-15h。8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中以升温速率为5-10℃/min升至900-1000℃，并在该温度下保持1-3h。9.一种权利要求1所述的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)优选在模拟天然碳酸酐酶活性中的应用。10.一种权利要求1所述的具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料(fe10@cn-mg)在二氧化碳水合和二氧化碳增值转化中的应用。

技术总结
本发明公开了一种具有类碳酸酐酶活性的铁基氮掺杂碳质材料的制备与应用，本发明采用共沉淀法和高温碳化法制备材料Fe10@CN-Mg，其中大部分的铁物质以单原子的形式均匀地分布在氮掺杂碳上，其中FeN


技术研发人员：林雅玫 朱腹鹦 邱皓琛 张幸
受保护的技术使用者：南京师范大学
技术研发日：2023.01.13
技术公布日：2023/9/23