课题基金 / 基金详情

金属有机框架衍生的单原子纳米酶的理性构建与活性研究

批准号:
22071202
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
匡勤
依托单位:
学科分类:
团簇与纳米化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
匡勤

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
近年来,由于具有与天然酶相似的M-Nx活性位点,M-N-C单原子催化剂(SACs)作为一种新型纳米酶逐渐引起了人们的关注。与其电催化性质相比,人们对M-N-C SACs类酶性质的认识还很初步,相关研究集中在Fe-N-C体系,且面临着构效关系不够明确、活性位点利用率低、稳定性有待提高等诸多关键科学问题。鉴于此,本项目以MOF热解得到的M-N-C SACs作为研究对象,在完善M-Nx活性中心精准构筑的基础上,系统研究不同金属(Fe, Cu, Ni, Mn, Cu, Zn)活性中心的类酶催化机制,探明催化剂在实际应用过程中活性下降的原因;在此基础上,通过构建双金属M-Nx活性中心、优化表观形貌及微孔结构,提高材料的模拟酶活性和稳定性,通过构筑Au/M-N-C SACs多酶串联体系探索其在生物医学方面的应用。我们相信,这项工作可为高效、稳定的类酶活性材料的理性构建奠定理论和实践基础。
英文摘要
In recent years, M-N-C single atom catalysts (SACs), which possess similar M-Nx active sites with natural enzymes, have attracted increasing attentions due to its potential as a bridge to understand the structure-activity relationship between nanozymes and natural enzymes. However, recent research on the enzymes-like activity of M-N-C SACs is mainly focused on the Fe-N-C system, and the understanding of its structure-activity relationship is very preliminary. Especially, there are still many key problems to be addressed in the practical application of M-N-C SACs at present. For example, the actual utilization rate of M-Nx active sites is not as high as expected, and the catalytic activity is always decreased due to the structure damage of M-Nx active sites caused by the Fenton reaction. In this project, we will focus our search on the rational construction of metal organic frameworks derived M-N-C SACs for enhancing enzyme-like activity. We hope to explore M-N-C SAzymes with high activity and stability through a reasonable design and engineering of the apparent morphology and M-Nx sites of catalysts. First, we will systematically investigate the enzymes-like activities of M-N-C SACs with different M-Nx (M=Fe, Cu, Ni, Mn, Cu, Zn) active centers, establish their structure-activity relationship, and clarify their deactivation mechanism in the practical application. On this basis, we intend to further improve the enzymes-like activity and stability of M-N-C SACs by means of constructing bimetal M-Nx active sites as well as optimizing the morphology and micropores of catalysts. Furthermore, we will construct a novel multi-enzyme tandem system based on Au/M-N-C SAC hybrids and explore its potential applications in glucose detection and antibacterial fields. We believe this work will open up a new horizon for the exploration of M-N-C SACs in the field of enzymatic catalysis and biological applications.
近年来,由于具有与天然酶相似的M-Nx活性位点,M-N-C单原子催化剂(SACs)作为一种新型纳米酶逐渐引起了人们的关注。与其电催化性质相比,人们对M-N-C SACs类酶性质的认识还很初步,相关研究集中在Fe-N-C体系,且面临着构效关系不够明确、活性位点利用率低、稳定性有待提高等诸多关键科学问题。鉴于此,本项目围绕金属有机框架衍生的单原子纳米酶的理性构建与活性研究,取得了一些创新性研究成果: 1)通过共掺杂和低温热处理成功构筑不同价态的FeM(M=Co,Ni)双金属MOF纳米酶,从而改善了MOF基纳米酶对底物的选择性吸附和高效催化转化,实现了对H2O2和谷胱甘肽(GSH)等生物小分子的高灵敏比色传感检测;2)以MOF为前驱体,通过热解合成了一系列具有明确活性位点结构的M-N-C SACs,通过调整M-N-C上的配位结构或者引入双原子中心,优化催化剂的电子特性,从而调控其类氧化酶活性及特异性;在此基础上系统研究了M-N-C SACs结构与材料性能之间的构效关系,探索了纳米酶材料在乙酰胆碱酯酶(AChE)活性检测、葡萄糖检测以及癌症治疗等多种场景的应用。3)研究了MOF衍生的SACs在氧还原反应(ORR)、氢氧化反应(HOR)、二氧化碳还原(CO2RR)等电催化过程中的性能表现,深入分析了表观形貌、M-Nx活性中心及其微观结构对于M-N-C SACs的催化活性、稳定性和特异性的影响机制,确定了M-N-C SACs在电催化和类酶催化在机理上的异同点。4)开发了系列结构精确的金属团簇(MNCs)基纳米酶,利用MNCs自身优异的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)自级联效应以及抗氧化剂与MNCs配体之间的弱相互作用实现了对炎症性肠病的治疗和一系列生物抗氧化剂的识别检测。截止2024年底,在本基金的支持下,项目组成员在国内外学术期刊上共发表学术论文26篇(其中IF>10的论文共14篇),包括1篇综述论文和25篇研究性论文(包括Adv. Energy Mater.、Adv. Sci.、ACS Catal. (2篇)、Nano Energy、Chem. Eng. J. (2篇)、Small、J. Mater. Chem. A (2篇)、Appl. Catal. B (4篇)),超过计划任务书的原定目标(12篇)。
MOF封装“天线-反应器”双金属纳米结构实现C1分子(CO2、CH4)高效光催化转化
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    匡勤
  • 依托单位:
纳米颗粒@金属有机框架复合材料的可控合成和传感应用研究
  • 批准号:
    21671163
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    匡勤
  • 依托单位:
基于晶面效应和异质结效应协同作用的新型半导体光催化剂的理性构建与性能研究
  • 批准号:
    21473146
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    40.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    匡勤
  • 依托单位:
宽禁带金属氧化物纳米晶的表面结构控制与缺陷诱导荧光
  • 批准号:
    21171142
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    匡勤
  • 依托单位:
国内基金
海外基金