纳米空心凹球丨定向催化油滴降解,油类污染物降解新技术
余荣台, 余承忠 2020-05-22

1590117135330263.png

第一作者:余荣台,黄晓丹

通讯作者:宋浩,余承忠

通讯单位: 景德镇陶瓷大学、昆士兰大学、华东师范大学

 

研究亮点:

1报道了一种米粒子自发凹陷自发回弹的现象。

2建了简单而高效负载酶分子马达,能够定向催化降解油滴。

 

酶催化降解油水污染物面临的挑战

石油污染事故的频发,加速了石油污染处理技术的革新与进步。酶催化降解油水污染物是一项具有巨大潜力的生物修复技术,然而其油滴降解速率仍有待进一步提高。纳米颗粒可以负载酶分子并将其稳定于油滴表面,传统的对称结构纳米粒子总会将大量固载的酶分子暴露于水相而非油相从而无法对油滴进行有效降解。如何有选择性的将酶分子固定于纳米颗粒一端,并有取向性地将其组装于油水界面来提高酶催化油滴降解速率面临很大的挑战。

 

不对称纳米空心球由于具有独特的物理化学性质被广泛引用于光电传感器、能源储存及药物输送等方面,并受到越来越多的关注。与篮球泄气后凹陷类似,碗状凹球的制备通常来自于空心圆球的塌陷。然而,与篮球可以充气复原不同的是,凹陷的纳米空心球很难再重新弹起,导致具有指定凹陷程度的不对称空心凹球极难获得。如何巧妙控制空心球进行凹陷和回弹,制备并利用具有不对称结构的空心凹球进行酶负载和油污生物修复,具有很大的科学和现实意义。

 

拟解决的问题或拟探索的内容

1、如何调控不对称空心纳米结构的自发生长及解析机理;

2、如何把酶负载至不对称纳米凹球的一端,同时构建的不对称分子马达如何才能定向朝向油滴。

 

成果简介

有鉴于此,景德镇陶瓷大学余荣台副教授澳大利亚昆士兰大学余承忠教授课题组合作,首次发现高分子空心凹球的自发不对称生长过程,并用于定向催化降解油滴。以合成的高分子凹球为载体,通过负载酶组装成分子马达,高分子凹球的快速运动及负载有大量酶分子的凹陷面定向朝向油滴加速了油滴的分解,极大提高了油滴的界面催化效率。

 

2.png

1. 纳米空心凹球定向催化油滴降解。

 

要点1:高分子纳米空心凹球的不对称作生长

作者采用原位合成与原位降解的方法,通过调控高分子球体内部聚合物交联程度的高低,实现丙酮对纳米颗粒的可控刻蚀从而得到不同形态高分子凹球。丙酮通过亲核加成反应将交联程度较低的高分子快速解聚,使得纳米颗粒内部溶空,壳层受压坍塌形成凹球。而随着时间的推移,溶解出的寡聚体又重新聚合,这一解聚-再聚合的速率在空心球内外不同曲率的部位也有所差异,进而造成高分子凹球内外形成渗透压差,诱导高分子凹球自发回弹并最终形成对称的球形中空结构。这一自发凹陷与自发回弹的现象在纳米世界非常罕见。


3.png

2. 高分子纳米空心凹球的不对称生长机理。

 

1590117195892015.png

3. 高分子纳米空心凹球的不对称生长表征. (a-e) 空心凹球在不同生长时间的TEM; (f-i) 空心凹球在不同生长时间的电子断层扫描切片及三维结构重构 (j-m); (n-o) 粒径、空腔直径、核壳厚度变化。

 

要点2:高分子空心凹球子马达的构建及油滴面催化降解

作者以合成的高分子凹球为载体,通过酶负载组装成分子马达,用于油滴的催化降解。研究结果表明,高分子凹球的快速运动促进了其与油滴的有效接触,而酶负载后的凹球颗粒有取向性的在油滴表面排列,将负载有大量酶分子凹陷面朝向油滴,从而大大增加了其油滴降解的催化效率。高分子凹球分子马达在油水催化降解方面,展示出良好的应用前景。

 

1590117224261604.png

4. 高分子空心凹球纳米马达运动解析及酶的负载. (a-c)纳米马达运动轨迹及其均方位移MSD和扩散系数 De解析; (d-f)纳米马达酶负载量及酶负载位置的TEM负染表征。


1590117267936359.png

5. 高分子空心凹球纳米马达定向催化降解油滴. (a)纳米马达定向催化降解油滴示意图,(b)光学显微镜表征纳米马达作用下的油滴大小随时间变化, (c-d) 油滴降解动力学及速率分析; (e-g) 纳米凹球在油滴表面有取向性排列的SEM表征。

 

小结

该工作报道了一种高分子纳米空心凹球的不对称生长过程,通过调控高分子解聚与再聚合动力学,实现了纳米凹球的自主回弹过程,获得了传统方法难以合成的有可控凹陷程度的不对称高分子纳米凹球。不对称高分子纳米凹球进行酶负载所得到的分子马达可有取向性的排列于油水界面上,将大量酶分子暴露于油相进而实现定向催化油滴降解。这一新型纳米技术在油滴降解应用方面取得了非常好的效果,展示出了巨大的实际应用前景。

 

参考文献

Rongtai Yu, et al. Shaping Nanoparticles for Interface Catalysis: Concave Hollow Spheres via Deflation-Inflation Asymmetric Growth. Adv. Sci., 2020,

DOI: 10.1002/advs.202000393. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202000393

 

作者专访:

1. 这项研究工作,解决或者探索了什么关键问题?和现有研究或技术相比,最核心的贡献或者技术优势是什么?

首次发现高分子空心凹球的自发不对称生长过程,并用于定向催化降解油滴。

2. 研究过程中,最难的地方在哪里,是如何解决的?

机理解析。由于高分子空心凹球的自发不对称生长从未有文献报道,为了寻找合理的解释,进行了大量的实验及表征,整个过程耗时一年多。

加载更多
191

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 ICP备16031428号

关注公众号