Pickering interfacial biocatalysis with enhanced diffusion processes for CO_(2) mineralization  

基于扩散强化的Pickering界面生物催化系统构建及CO_(2)矿化过程研究

作　　者：Boyu Zhang Jiafu Shi Yang Zhao a Han Wang Ziyi Chu Yu Chen Zhenhua Wu Zhongyi Jiang 张博禹;石家福;赵阳;王涵;储子仪;陈裕;吴振华;姜忠义(天津大学环境科学与工程学院,天津300072;天津化学化工协同创新中心,天津300072;中国科学院过程工程研究所,生物化学工程国家重点实验室,北京100190;天津大学化工学院,教育部绿色化工重点实验室,天津300072)

机构地区：[1]School of Environmental Science&Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China [2]Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering(Tianjin),Tianjin 300072,China [3]State Key Laboratory of Biochemical Engineering,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China [4]Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education,School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072,China

出　　处：《Chinese Journal of Catalysis》2022年第4期1184-1191,共8页催化学报（英文）

基　　金：国家优秀青年科学基金项目(22122809);国家自然科学基金(21621004);天津市自然科学基金(19JCYBJC19700);生化工程国家重点实验室开放基金项目(2020KF-06).

摘　　要：Utilization of carbon dioxide(CO_(2))has become a crucial and anticipated solution to address environmental and ecological issues.Enzymes such as carbonic anhydrase(CA)can efficiently convert CO_(2) into various platform chemicals under ambient conditions,which offers a promising way for CO_(2) utilization.Herein,we constructed a Pickering interfacial biocatalytic system(PIBS)stabilized by CA‐embedded MOFs(ZIF‐8 and ZIF‐L)for CO_(2) mineralization.Through structure engineering of MOFs and incorporation of Pickering emulsion,the internal and external diffusion processes of CO_(2) during the enzymatic mineralization were greatly intensified.When CO_(2) was ventilated at a flow rate of 50 mL min^(–1) for 1 h,the pH value of PIBS dropped from~8.00 to~6.50,while the average pH value of free system only dropped to~7.15,indicating that the initial reaction rate of CO_(2) mineralization of PIBS is nearly twice that of the free system.After the 8^(th) cycle reaction,PIBS can still produce more than 9.8 mg of CaCO_(3) in 5 min,realizing efficient and continuous mineralization of CO_(2).CO_(2)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CO_(2)分子以降低反应能垒,为CO_(2)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CO_(2)内扩散阻力增加,降低反应活性.此外,CO_(2)酶促转化是一个气-液-固三相反应过程,反应体系中CO_(2)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CO_(2)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CO_(2)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�

关 键 词：Carbon dioxide conversion Carbonic anhydrase Pickering emulsion Metal‐organic frameworks Diffusion intensification 

分 类 号：TQ426.97[化学工程] X701[环境科学与工程—环境工程]