艾晏如，蔡其君，王 嬌，張語桐，白宇佳，陳曉明，呂 瑞

（1.綿陽科技城新區(qū)生態(tài)節(jié)能環(huán)保低碳產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,綿陽 621010;2.綿陽師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,綿陽 621000;3.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,綿陽 621010）

自工業(yè)革命以來，化石燃料的大量使用導(dǎo)致大氣中CO2的濃度急劇上升，引發(fā)了全球氣候變暖、海平面上升和病蟲害增多等諸多負(fù)面效應(yīng).在當(dāng)今依然依賴化石燃料發(fā)電的大環(huán)境下，碳捕獲和封存技術(shù)（Carbon capture and storage，CCS）成為近年來“雙碳”目標(biāo)下備受關(guān)注的熱點(diǎn)問題.目前，CCS多采用吸收法、吸附法及膜分離法［1］.其中，吸收法是目前主要采用的方法，該法雖可實(shí)現(xiàn)CO2的吸收固定，但仍面臨著溶液的回收及二次污染的問題.在自然界中，生物可通過自身代謝循環(huán)高效地將CO2轉(zhuǎn)化為可利用化學(xué)物質(zhì)供其生長(zhǎng)，其本質(zhì)是與其機(jī)體中產(chǎn)生的酶有關(guān)［2］.在生命體中，能用于CO2捕獲固定的酶主要為碳酸酐酶（CA）［3，4］.CA是一種含鋅的金屬酶，也是目前已知的催化效率最高的酶，其可通過催化CO2水化反應(yīng)及某些酯、醛類水解反應(yīng)參與多種離子交換，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定.然而，CA在催化過程中極度依賴體系的pH值，當(dāng)pH＜8時(shí)，CA活性明顯降低.此外，與其它天然酶一樣，CA對(duì)環(huán)境溫度和pH值均有較強(qiáng)的敏感性，極易受極端環(huán)境的影響而失活，加之其生產(chǎn)成本高、難以回收利用，因而阻礙了其工業(yè)化應(yīng)用.基于此，受天然酶結(jié)構(gòu)和催化機(jī)制的啟發(fā)，通過人工合成的方式構(gòu)筑仿生酶成為解決天然酶上述弊端的重要途徑.

自2007 年閻錫蘊(yùn)團(tuán)隊(duì)［5］首次報(bào)道了Fe3O4納米粒子具有與天然辣根過氧化物酶類似的催化活性后，無機(jī)納米材料的類酶效應(yīng)引起了研究者們的廣泛關(guān)注，由此誕生的納米酶也被證實(shí)為天然酶的理想替代品并廣泛用于生物傳感、疾病診療、環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域［6，7］.然而，目前所報(bào)道的納米酶多集中于模擬氧化還原酶，而對(duì)模擬CA這類水解酶的報(bào)道則非常有限.在僅有的報(bào)道中，研究者們主要采用含Zn的MOF或其配位聚合物模擬CA活性中心進(jìn)行CO2的催化轉(zhuǎn)化［8～16］.如，Kim等［8］通過自組裝將含組氨?；碾p親性配體與Zn結(jié)合以模擬碳酸酐酶活性中心進(jìn)行CO2的轉(zhuǎn)化.研究發(fā)現(xiàn)，組氨酸上的咪唑基可穩(wěn)定鋅離子從而有助于活性中間體的形成.此外，升溫和提高pH值均可顯著提高其催化活性，相較于天然酶在高溫下極易失活的弊端，該研究結(jié)果有力證實(shí)了碳酸酐酶納米酶在工業(yè)化應(yīng)用中的巨大潛力.隨著納米技術(shù)的發(fā)展，MOF材料以其高比表面積和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到了研究者們的廣泛關(guān)注.Jin 等［8］合成了一系列含Zn 的MOF 材料并探究了其類碳酸酐酶活性，證實(shí)了以Zn 為活性中心的MOF 基納米酶不僅可高效吸附CO2，還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2的原位轉(zhuǎn)化，為高性能碳酸酐酶納米酶的開發(fā)提供了思路.此外，Liang等［10］以苯三唑?yàn)榕潴w，與鋅離子結(jié)合得到一系列ZnTazs配位聚合物，研究證實(shí)，該類配合物具有的與CA類似的Zn—N配位結(jié)構(gòu)是其發(fā)揮類碳酸酐酶活性的關(guān)鍵.而Echizen等［11］則發(fā)現(xiàn)配體中酚羥基可通過氫鍵結(jié)合水分子，從而可提高水的去質(zhì)子化形成Zn-OH中間體，進(jìn)而有助于中間體對(duì)CO2的親核攻擊.該類研究為類碳酸酐酶納米酶的設(shè)計(jì)提供了參考.然而，除上述以鋅為活性中心的類碳酸酐酶外，以其它金屬為活性中心構(gòu)筑類碳酸酐酶納米酶卻未受到足夠關(guān)注.2015年，Keum等［17］分別以Co，Cd，Ni為活性中心構(gòu)筑了系列納米材料并考察了其類碳酸酐酶活性，發(fā)現(xiàn)以Co為活性中心的材料表現(xiàn)出了較強(qiáng)的類碳酸酐酶活性.此研究拓寬了類碳酸酐酶納米酶的研究范圍，也為其設(shè)計(jì)構(gòu)筑和性能調(diào)控提供了新思路.鈰作為一種稀土元素，因Ce3+/Ce4+優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力，已被證實(shí)具有多種類酶催化活性，但目前針對(duì)其類水解酶活性的研究?jī)H集中于類磷酸酶活性［18］，暫未見關(guān)于其類碳酸酐酶活性的報(bào)道.

層狀有機(jī)硅酸鹽由Mann 課題組首次提出［19］，是一類以硅烷試劑和金屬鹽為前體合成的、與天然層狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)類似的二維納米材料.其中，以氨丙基功能化的層狀有機(jī)硅酸鹽備受關(guān)注.這類材料可通過氨基的質(zhì)子化在水中自主分散為納米單片，從而極大提高材料的水分散性，此外，還可通過調(diào)控金屬離子的種類使其實(shí)現(xiàn)不同的催化性能［20～22］.前期報(bào)道表明，碳酸酐酶的催化機(jī)理是通過使水去質(zhì)子化以形成金屬—OH中間體，從而促進(jìn)OH-與CO2結(jié)合形成碳酸氫根［23，24］.鑒于此，利用層狀硅酸鹽中氨基與水中氫離子的結(jié)合，將有助于水的去質(zhì)子化，加之金屬中心的強(qiáng)配位能力，有望顯著提高CO2的轉(zhuǎn)化效率.因此，本研究以鈰鹽和氨丙基功能化的有機(jī)硅烷試劑為前體，一步合成了具有層狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅酸鹽，并首次探究了其類碳酸酐酶活性，為CO2的捕獲和固定提供了一種高效、節(jié)能、環(huán)保的新途徑.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

七水合氯化鈰（CeCl3·7H2O）、乙醇（C2H5OH）、三羥甲基氨基甲烷（Tris）和鹽酸（HCl）均為分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES，分析純）、乙酸對(duì)硝基苯酯（p-NPA，分析純）和碳酸酐酶（CA，≥3000 U/mg，生化試劑），上海麥克林生化科技有限公司.

ULTRA 55型200 kV場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），德國(guó)蔡司儀器公司；X'Pert PRO型X射線衍射儀（XRD），荷蘭帕納科公司；Spectrum One 型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR），美國(guó)PE 儀器公司；UV-2800A型紫外-可見分光光度計(jì)（UV-Vis），北京普析通用儀器公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 含鈰層狀有機(jī)硅酸鹽（ACOP）的合成 準(zhǔn)確稱量0.4136 g CeCl3·7H2O，溶于20 mL乙醇中，超聲10 min 使其溶解，然后向其中逐滴加入1.3 mL APTES，混合均勻后于室溫下攪拌18 h，離心分離，用乙醇洗滌3次后于60 ℃下干燥，得到產(chǎn)物，備用.

1.2.2 ACOP的表征 通過SEM對(duì)ACOP的微觀形貌進(jìn)行表征，并利用XRD和FTIR對(duì)所合成的ACOP進(jìn)行物相和結(jié)構(gòu)鑒定.

1.2.3 ACOP 類碳酸酐酶活性的測(cè)定 向4 mL 的Tris-HCl 緩沖液（0.01 mol/L，pH=8.0）中加入500 μL ACOP（2 mg/mL）和500 μLp-NPA（20 mmol/L），于室溫下反應(yīng)10 min 后，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定產(chǎn)物于400 nm處的吸光度，通過下式計(jì)算表觀速率常數(shù)（ν，mmol·L-1·min-1），以評(píng)價(jià)材料的類碳酸酐酶活性：

式中：c為產(chǎn)物濃度（mmol·L-1）；V為反應(yīng)液體積（mL）；t為反應(yīng)時(shí)間（min）；V'為催化劑溶液體積（mL）.

1.2.4 pH 值對(duì)ACOP 催化效率的影響 分別移取500 μL ACOP（2 mg/mL）和500 μLp-NPA（20 mmol/L），置于4 mL不同pH值的Tris-HCl緩沖液中，于室溫下反應(yīng)10 min，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定產(chǎn)物于400 nm處的吸光度，并通過公式（1）得到不同反應(yīng)pH值下的酶活，以考察反應(yīng)pH值對(duì)ACOP類碳酸酐酶活性的影響.

1.2.5 溫度對(duì)ACOP 催化效率的影響 分別移取500 μL ACOP（2 mg/mL）和500 μLp-NPA（20 mmol/L）于4 mL Tris-HCl緩沖液（0.01 mol/L，pH=8）中，于不同溫度（30～90 ℃）下反應(yīng)10 min，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定產(chǎn)物于400 nm處的吸光度，并通過公式（1）得到不同反應(yīng)溫度下的酶活，以考察反應(yīng)溫度對(duì)類碳酸酐酶的影響.

1.2.6 ACOP的溫度耐受性 移取500 μL ACOP（2 mg/mL），分別在30，40，50，60，70，80和90 ℃下放置1 h，冷卻至室溫后，加入500 μLp-NPA和4 mL Tris-HCl緩沖液（0.01 mol/L，pH=8），于室溫下反應(yīng)10 min，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定產(chǎn)物于400 nm 處的吸光度，并通過式（1）得到ACOP 在各體系下的酶活，以考察ACOP的溫度耐受性.同時(shí)，用天然碳酸酐酶進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn).

1.2.7 ACOP 的pH 耐受性 移取50 μL ACOP（10 mg/mL），分別在pH=3，4，5，6，7，8，9，10 的450 μL Tris-HCl 緩沖液（0.01 mol/L）中靜置5 h，隨后加入500 μLp-NPA 和4 mL Tris-HCl 緩沖液（0.01 mol/L，pH=8），于室溫下反應(yīng)10 min，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定產(chǎn)物于400 nm處的吸光度，并通過式（1）得到ACOP 在各體系下的酶活，以考察ACOP 的pH 耐受性.同時(shí)，用天然碳酸酐酶進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn).

1.2.8 穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定 將底物p-NPA 配制成濃度分別為5，10，15，20，25，30，35，40 mmol/L 的溶液，取500 μL 分別加入500 μL ACOP（2 mg/mL）和4 mL Tris-HCl（0.01 mol/L，pH=8）緩沖液，于室溫下反應(yīng)10 min，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)定產(chǎn)物于400 nm 處的吸光度.以底物濃度的倒數(shù)-酶反應(yīng)初速度的倒數(shù)繪制Lineweaver-Burk曲線，用Michaelis-Menten公式計(jì)算反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)參數(shù)：

式中：ν為表觀速率常數(shù)；［S］為底物濃度（mmol·L-1）；νmax為最大初始反應(yīng)速率（mmol·L-1·min-1）；Km為米氏常數(shù)（mmol·L-1）.

1.2.9 CO2的轉(zhuǎn)化及固定 向pH=8.5的Tris-HCl緩沖溶液中加入20 mL CO2飽和溶液，隨后加入ACOP觸發(fā)反應(yīng)，使CO2在其催化下轉(zhuǎn)化為通過測(cè)定300 s 內(nèi)體系pH 的變化，評(píng)價(jià)CO2的轉(zhuǎn)化效率.為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CO2的捕獲固定，向一定量Tris 溶液中加入20 mL CO2飽和溶液、2 mmol CaCl2和一定量ACOP，反應(yīng)一定時(shí)間后形成CaCO3沉淀，過濾、洗滌、干燥后稱重，并與未加催化劑體系對(duì)比，通過考察緩沖液濃度、催化劑加入量、反應(yīng)時(shí)間等因素的影響，評(píng)價(jià)ACOP對(duì)CO2的固定能力.

2 結(jié)果與討論

2.1 ACOP的結(jié)構(gòu)表征

從SEM 照片可知，所得ACOP 在微觀下呈層狀堆疊狀［圖1（A）］；進(jìn)一步通過TEM 照片發(fā)現(xiàn)，ACOP 在溶液中呈分散的片狀［圖1（B）］，說明ACOP 保留了天然層狀硅酸鹽所具有的二維層狀結(jié)構(gòu).此外，從元素分布圖［圖1（C）和（D）］中可見，ACOP保留了前體中的N，O，Si，Ce等元素，且金屬中心Ce在材料表面呈均勻分布.為進(jìn)一步探明其分子結(jié)構(gòu)，通過紅外光譜進(jìn)行表征［圖1（E）］.結(jié)果表明，3559 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)于伯胺中N—H的伸縮振動(dòng)，2186 cm-1處的峰對(duì)應(yīng)于—NH3+和—NH2中N—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng).此外，ACOP結(jié)構(gòu)中還有與硅烷前體有關(guān)的基團(tuán)，如—CHx（2931，1363 cm-1），—Si—C—（1118 cm-1），—Si—O—Si—（1033 cm-1）以及—C—N—（933 cm-1）的吸收帶，說明ACOP 保留了有機(jī)層狀硅酸鹽的特征官能團(tuán).XRD結(jié)果［圖1（F）］表明，ACOP在2θ=5°處有明顯的衍射峰，對(duì)應(yīng)于ACOP的（001）晶面，進(jìn)一步計(jì)算可知晶面間距d001=1.77 nm，與其它層狀有機(jī)硅酸鹽的層間距接近［21，22］，進(jìn)一步表明該材料具有層狀結(jié)構(gòu).

為進(jìn)一步探究金屬中心Ce在其結(jié)構(gòu)中的化學(xué)態(tài)，通過XPS表征了Ce3d軌道電子的結(jié)合能，結(jié)果見圖2.從圖中可知，Ce3d軌道的電子會(huì)自旋分裂為經(jīng)進(jìn)一步擬合分析可知，結(jié)合能在880.3，885.4，899.0 和903.6 eV 的峰歸屬于Ce3+，而結(jié)合能在882.0，887.7，897.9，900.8 和906.1 eV 的峰則歸屬于Ce4+，此外，916.0 eV 的峰為Ce4+的衛(wèi)星峰.上述結(jié)果表明ACOP結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在Ce3+和Ce4+，兩種價(jià)態(tài)同時(shí)存在將有助于其催化作用的發(fā)揮.

Fig.2 XPS spectra of ACOP

Fig.3 UV-Vis spectra and the related photographs(inset) of the hydrolysis product of p-NPA in the absence(a) and in the presence(b) of ACOP

2.2 ACOP的類碳酸酐酶活性

按照1.2.3 節(jié)中方法測(cè)定了ACOP 的類碳酸酐酶活性（圖3）.結(jié)果表明，當(dāng)不加入ACOP 時(shí)，體系在10 min內(nèi)沒有明顯顏色變化；而加入ACOP后，溶液呈明顯的亮黃色，且在400 nm處有最大吸收，說明ACOP可催化底物p-NPA的水解反應(yīng)得到p-NP.經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算可得，2 mg/mL ACOP對(duì)p-NPA的催化效率為35 mmol·L-1·min-1，顯著優(yōu)于目前報(bào)道的其它碳酸酐酶納米酶［9，10，15，16］.

2.3 pH值對(duì)催化效率的影響

按照1.2.4節(jié)方法考察pH值對(duì)ACOP催化效率的影響，結(jié)果見圖4（A）.在pH=8時(shí)，ACOP對(duì)底物的水解效率最高，而這一現(xiàn)象也與天然碳酸酐酶一致，證實(shí)了ACOP的仿生催化能力.

Fig.4 Influences of pH value(A) and temperature(B) on catalytic efficiency of ACOP

2.4 溫度對(duì)催化效率的影響

按照1.2.5 節(jié)中方法考察了溫度對(duì)ACOP 催化效率的影響，結(jié)果見圖4（B）.隨著溫度的升高，ACOP的催化效率先增大后減小，在50 ℃時(shí)達(dá)到最高.這是因?yàn)樯邷囟瓤杉铀倭Ｗ娱g的碰撞，從而促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，但溫度過高又會(huì)使得空白值增加，無法體現(xiàn)催化劑的效能.從節(jié)能環(huán)保的角度考慮，催化劑的使用不僅可極大縮短反應(yīng)時(shí)間，還能降低能耗，加之工廠煙囪所排氣體的溫度多在50 ℃左右，與ACOP的最適反應(yīng)溫度一致，因此ACOP在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中具有極大的應(yīng)用潛力.

2.5 ACOP的溫度耐受性

按照1.2.6節(jié)中方法比較了ACOP 和CA 的溫度耐受性.以溫度為30 ℃時(shí)的酶活為基準(zhǔn)計(jì)算各溫度下的相對(duì)酶活.由圖5（A）中結(jié)果可知，ACOP在高溫下也能保持90%以上的活性，且酶活性隨溫度變化較小.相反，CA在超過50 ℃后酶活迅速下降，由此說明ACOP具有優(yōu)異的溫度耐受性.

Fig.5 Temperature(A) and pH(B) tolerance of ACOP

2.6 ACOP的pH耐受性

按照1.2.7 節(jié)中方法比較了ACOP 和CA 的pH 耐受性.以pH=7 時(shí)的酶活為基準(zhǔn)，計(jì)算各pH 值下的相對(duì)酶活，結(jié)果見圖5（B）.從圖5（B）可知，ACOP在極酸、中性和極堿環(huán)境中也能保持90%以上的活性，而CA在酸性條件下活性會(huì)顯著降低，說明酸性環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其構(gòu)象變化，進(jìn)而影響酶活.由此可知，ACOP具有優(yōu)異的pH耐受性.

2.7 動(dòng)力學(xué)參數(shù)

按照1.2.8節(jié)中方法計(jì)算得到不同底物濃度下ACOP的表觀速率常數(shù).以底物濃度的倒數(shù)（c-1）為橫坐標(biāo)，反應(yīng)初速度的倒數(shù)（v-1）為縱坐標(biāo)繪制Lineweaver-Burk 雙倒數(shù)曲線，并進(jìn)一步按照Michaelis-Menten公式計(jì)算反應(yīng)的米氏常數(shù)（Km）和最大初始反應(yīng)速率（Vmax）.其中米氏常數(shù)是指達(dá)到酶促反應(yīng)最大速率的一半時(shí)所需要的底物濃度，可反映出催化劑與底物之間的親和能力，通常其值越小，說明催化劑與底物之前的親和能力越強(qiáng).由Lineweaver-Burk曲線（圖6）擬合米氏方程可得，ACOP的米氏常數(shù)（Km）為63.7 mmol/L，最大初始反應(yīng)速率（Vmax）可達(dá)212 mmol·L-1·min-1，而天然碳酸酐酶的米氏常數(shù)則為154 mmol/L，最大初始反應(yīng)速率為102 mmol·L-1·min-1.可見，ACOP 的米氏常數(shù)值小于天然酶CA，而最大初始反應(yīng)速率更高，說明ACOP與底物之間有更強(qiáng)的親和作用，可提高催化反應(yīng)速率，有利于催化反應(yīng)的進(jìn)行.

Fig.6 Lineweaver-Burk plots of ACOP(A) and CA(B)

2.8 ACOP在CO2固定中的應(yīng)用

目前，對(duì)CO2的處理主要有兩類方法，一是通過堿性吸收液將CO2吸收固定［1］，二是利用仿生催化原理將CO2在堿性條件下轉(zhuǎn)化為沉淀固定.前者雖然操作簡(jiǎn)便，但也存在著后處理繁瑣及吸收液的二次污染問題.而通過模擬碳酸酐酶將CO2轉(zhuǎn)化后，再原位與鈣離子形成碳酸鈣沉淀的方式已成為當(dāng)前CCS發(fā)展的新趨勢(shì)［8～11，15，16］.因此，本研究進(jìn)一步將構(gòu)建的ACOP催化體系用于CO2的轉(zhuǎn)化及固定.

首先，通過測(cè)定體系在300 s 內(nèi)的pH 值變化，考察不同濃度催化劑對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化能力，結(jié)果見圖7.由圖中可知，隨著CO2的通入，ACOP 催化體系的pH 值較空白組（未加ACOP）下降更顯著，終值更低，說明ACOP可催化CO2水合形成重碳酸鹽.此外，從圖中還可以看出，隨著ACOP 濃度的增加，體系的pH 值下降速度加快，當(dāng)ACOP 濃度為3 mg/mL 時(shí)，體系pH 值在150 s 時(shí)即可降至6.6左右，說明ACOP在CO2的催化轉(zhuǎn)化中具有明顯的量效關(guān)系.

隨后，進(jìn)一步將ACOP催化體系用于CO2的固定.按照1.2.9節(jié)中方法，向含CaCl2的Tris溶液中加入ACOP和飽和CO2溶液，經(jīng)過混合反應(yīng)后，對(duì)產(chǎn)生的沉淀進(jìn)行烘干稱重，并以未加ACOP體系作為空白對(duì)照，以扣除空白后的碳酸鈣質(zhì)量評(píng)價(jià)ACOP催化固定CO2的性能.為系統(tǒng)評(píng)價(jià)ACOP對(duì)CO2的固定能力，首先，考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)碳酸鈣產(chǎn)量的影響.由圖8（A）結(jié)果可知，當(dāng)反應(yīng)2 h后，碳酸鈣的產(chǎn)量不再變化，說明2 h后反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行完全，因此后續(xù)反應(yīng)時(shí)間設(shè)定為2 h.隨后，進(jìn)一步考察了緩沖溶液濃度對(duì)催化固定效率的影響.由于緩沖溶液對(duì)H+具有穩(wěn)定作用，可加快水的脫質(zhì)子反應(yīng)，促進(jìn)CO2與氫氧根結(jié)合形成碳酸氫根，因而推測(cè)高濃度的Tris 溶液所具有的更大的緩沖容量將有助于產(chǎn)物的生成.分別設(shè)定Tirs 濃度為0.1，0.2，0.4 和0.5 mol/L，按照1.2.9 節(jié)中方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖8（B）.從圖中可知，隨著緩沖溶液濃度的增加，CO2的產(chǎn)量先增大后減小.在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，緩沖溶液濃度增加也會(huì)伴隨著ACOP的析出，從而影響碳酸鈣沉淀的純度，因此選擇緩沖溶液濃度為0.2 mol/L.最后，考察了ACOP加入量的影響.分別向上述體系中加入40，60，70，80 mg ACOP，按照1.2.9節(jié)中方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖8（C）.從圖中可知，隨著ACOP加入量的增加，碳酸鈣產(chǎn)量也逐漸增加，但當(dāng)ACOP用量高于60 mg后，碳酸鈣質(zhì)量變化不大，這與前述CO2的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，說明在該溶液體系下，CO2的轉(zhuǎn)化率已達(dá)最大.綜上，在0.2 mol/L Tris緩沖溶液中加入60 mg ACOP反應(yīng)2 h，可使碳酸鈣的產(chǎn)量達(dá)到0.0331 g.由于ACOP的合成條件溫和，成本較低，且在極端環(huán)境下具有優(yōu)異的催化穩(wěn)定性，因此，比目前報(bào)道的其它非鋅中心的碳酸酐酶納米酶具有更大的應(yīng)用潛力［17］.

Fig.7 pH changes of CO2 catalyzed by ACOP at different concentrations

Fig.8 Effects of reaction time(A),concentration of buffer(B),and dosage of ACOP(C) on the production of CaCO3

3 結(jié)論

通過一步溶膠-凝膠法，在室溫下合成了鈰層狀有機(jī)硅酸鹽ACOP，并探究了其類碳酸酐酶活性.研究發(fā)現(xiàn)，ACOP保留了天然層狀硅酸鹽特有的二維層狀結(jié)構(gòu)，且具有優(yōu)異的類碳酸酐酶活性.與天然CA相比，ACOP對(duì)極端溫度和pH值均有較強(qiáng)的耐受性，當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí)，天然酶已經(jīng)近乎失活，而ACOP仍能保持90%以上的催化活性.此外，通過對(duì)比動(dòng)力學(xué)參數(shù)可知，ACOP具有比CA更強(qiáng)的底物親和能力和高效的催化活性，是一種理想的天然碳酸酐酶替代品.最后，將ACOP用于CO2的固定，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加入ACOP后，體系的pH值隨CO2的加入而逐漸降低，且其下降程度與ACOP的濃度具有量效關(guān)系，而當(dāng)體系中存在鈣離子時(shí)，ACOP可催化CO2的轉(zhuǎn)化并最終將其固定為碳酸鈣沉淀，實(shí)現(xiàn)了CO2的捕獲固定.本研究為類碳酸酐酶納米酶的構(gòu)筑提供了新方法，也為CO2的高效捕獲提供了一種綠色、環(huán)保、節(jié)能的新途徑.