新加坡國立大學李俊教授AM：新型生物炭復合水凝膠，高效凈化酚類污染水的綠色催化新策略！

隨著全球人口增長與工業發展，大量酚類有機物進入水體，對生態環境和人類健康構成嚴重威脅。傳統的廢水處理方法往往效率有限且能耗高，而酶催化技術雖條件溫和、環境友好，但酶難以回收、無法連續使用等問題限制了其實際應用。酶固定化是解決上述難題的可行途徑，但常規固定方法往往導致傳質阻力增大，催化效率下降。如何在固定酶的同時保持甚至提升其催化性能，成為當前水處理技術面臨的重要挑戰。

近日，新加坡國立大學李俊教授、Zhu Jingling博士和WenYuting博士通過將富含表面官能團的生物炭與聚丙烯酰胺水凝膠結合，封裝辣根過氧化物酶，構建出一種名為 Gel/BC-HRP 的復合催化材料。該材料在過氧化氫存在下，對酚類污染物展現出卓越的催化氧化性能，其反應速率比不含生物炭的對照組提升高達91.4倍，并表現出極高的周轉頻率。復合材料在循環使用八次后仍能保持約60%的苯酚去除效率，為綠色、高效的水體修復技術提供了新思路。相關論文以“A Biochar-Based Composite Hydrogel Microenvironment for Enhanced Biocatalysis”為題，發表在

Advanced Materials

研究團隊首先對 Gel/BC-HRP 催化劑進行了系統的材料表征。掃描電子顯微鏡圖像顯示，凍干后的 Gel/BC??-HRP 呈現多孔結構，凝膠孔隙中可見生物炭顆粒。X射線衍射圖譜中，約22.3°處的寬峰證實了聚丙烯酰胺凝膠的存在，而22.9°附近的寬峰則對應于典型的無定形碳。傅里葉變換紅外光譜進一步驗證了凝膠與生物炭的成功復合，凝膠的特征峰（如C-N、C=O、N-H伸縮振動）與生物炭的特征峰（如O-H伸縮振動、COO-伸縮振動）同時出現。氮氣吸附-脫附等溫線也證實了材料的多孔特性，生物炭的加入略微增加了催化劑的比表面積和電子傳遞能力。

圖1（a）：Gel/BC-HRP 催化劑的合成示意圖。 （b）：Gel/BC-HRP 催化劑中微環境促進苯酚氧化的示意圖。

圖2：Gel/BC-HRP 的形貌與結構組成。（a,b）Gel/BC??-HRP 的SEM圖像；（c）不同 Gel/BC-HRP 催化劑的XRD圖譜；（d）不同 Gel/BC-HRP 催化劑的FTIR光譜。

為了直觀展示酶在催化劑中的分布，研究人員采用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察了用羅丹明B異硫氰酸酯標記的HRP。圖像顯示，在 Gel/BC??-HRP 中，HRP發出的紅色熒光與生物炭的分布區域高度重合。通過三維掃描分析更清晰地揭示，HRP傾向于分布在生物炭的表面，而非凝膠的其他區域。這種酶與生物炭的緊密結合，為后續的高效催化反應奠定了基礎。

圖3：通過CLSM分析測量的 Gel/BC??-HRP 中HRP的分布。（a）Gel/BC??-HRP 中RhBITC標記的HRP的紅色熒光顯示（HRP在凝膠中的分布）；（b）生物炭在凝膠中的分布；（c）上述兩幅分布圖像的合并圖；（d–h）CLSM 3D分析第一階段：掃描區域從生物炭上端外部向生物炭上端移動；（i–m）CLSM 3D分析第二階段：掃描區域從生物炭上端向其中部移動；（n–r）CLSM 3D分析第三階段：掃描區域從生物炭中部向其下端移動；（s–w）CLSM 3D分析第四階段：掃描區域從生物炭下端向其下端外部移動。

在催化性能測試中，生物炭的加入帶來了顯著的提升。不含生物炭的 Gel-HRP 在20分鐘內對苯酚的去除率僅約10%，而 Gel/BC??-HRP 在相同時間內去除率超過90%。動力學分析表明，Gel/BC??-HRP 的反應速率常數是 Gel-HRP 的91.4倍，且協同因子高達71.3，顯示出強烈的協同催化效應。在極低的氧化劑/污染物條件下，其周轉頻率達到20.4 min?1，優于許多先進的類芬頓單原子催化體系。該催化劑還表現出良好的循環穩定性，在8次循環后活性保持約60%，并在連續流動反應中展現出遠超純凝膠催化劑的持久性能。

圖4：Gel-HRP 和 Gel/BC-HRP 催化劑的催化反應效果、催化劑循環性能及連續催化反應性能。（a）苯酚的降解；（b）苯酚降解數據的反應動力學擬合；（c）與不同單原子類芬頓催化劑的TOF值比較；（d）Gel/BC??-HRP 的循環反應；（e）與不同酶基催化系統的循環性能比較；（f）連續反應中試裝置示意圖；（g）連續中試實驗中的苯酚去除率；（h）Gel/BC??-HRP 與 Gel-HRP 關鍵性能參數比較。

研究人員系統探討了反應條件的影響。催化劑在pH 5.0–9.0的寬范圍內保持高效，最適條件為中性。在一定范圍內，增加HRP酶量或H?O?濃度均可提高苯酚去除率，但過量反而會因活性位點或氧化劑受限而抑制反應。催化劑在23°C至45°C的溫度范圍內也表現出良好的穩定性。

圖5：Gel/BC??-HRP 催化反應條件研究。（a,b）不同HRP用量對苯酚降解的影響及反應動力學擬合；（c,d）不同pH值對苯酚降解的影響及反應動力學擬合；（e,f）不同H?O?用量對苯酚降解的影響及反應動力學擬合；（g,h）不同底物濃度對苯酚降解的影響及反應動力學擬合。

機制研究表明，催化性能的提升與H?O?利用效率的提高密切相關。生物炭的摻雜形成了類似火山曲線的優化效果。進一步的實驗揭示，苯酚的存在對于HRP催化循環至關重要，反應遵循非活性氧自由基途徑。生物炭表面的缺電子基團（如-COOH）增強了其對苯酚的吸附能力。然而，過量生物炭會增加復合材料的疏水性，從而增大傳質阻力，反而降低對苯酚和H?O?的吸附，導致催化效率下降。接觸角測量證實了生物炭含量對材料親疏水性的調節作用。

圖6：H?O?利用效率對反應性能和機制的影響。（a）不同 Gel/BC-HRP 催化劑反應20分鐘后的苯酚去除率；（b）不同 Gel/BC-HRP 催化劑反應20分鐘后的H?O?消耗量；（c）三種不同條件下反應20分鐘后的H?O?消耗量；（d）高級氧化體系和 Gel/BC??-HRP 體系的DMPO–OH和DMPO–O?–的EPR譜圖。

通過建立二元線性回歸方程，研究者量化了苯酚吸附和H?O?吸附對去除率的貢獻，兩者均呈現顯著正相關?；诖耍麄兲岢隽宋h境調控機制：聚丙烯酰胺凝膠中的氨基形成富電子區域，有利于吸附H?O?；而摻雜的生物炭在其表面羧基作用下形成缺電子區域，有利于吸附苯酚。兩者共同構筑了一個優化的微反應環境，將底物濃縮在酶周圍，從而大幅加速反應。

此外，Gel/BC??-HRP 展現出廣譜降解能力，能高效去除鄰甲酚、間甲酚、連苯三酚、雙酚A等多種酚類污染物，并且在含多種鹽分、有機物甚至抗生素的復雜水體中保持穩定的降解性能。產物分析表明，該催化過程傾向于將苯酚聚合形成低水溶性的寡聚物，易于通過沉降或過濾分離，降低了二次污染風險。

圖7：微環境促進苯酚去除的潛在機制。（a）不同 Gel/BC-HRP 催化劑在20分鐘內的苯酚吸附率；（b）不同 Gel/BC-HRP 催化劑的接觸角；（c）Gel-HRP的接觸角；（d）Gel/BC??-HRP的接觸角；（e）Gel/BC??-HRP的接觸角；（f）Gel/BC??-HRP的接觸角；（g）Gel/BC??-HRP的接觸角；（h）不同 Gel/BC-HRP 催化劑在20分鐘內的H?O?吸附量；（i）以苯酚吸附和H?O?吸附為自變量、苯酚去除率為因變量的二元線性回歸方程擬合。

該研究通過巧妙的材料設計，將生物炭與水凝膠結合，不僅成功實現了辣根過氧化物酶的高效固定與循環使用，更通過構建“富電子-缺電子”微環境，破解了固定化酶傳質受限的難題，顯著提升了催化效率。這種策略為開發綠色、可持續、高性能的水處理生物催化劑提供了新的理論基礎和技術路徑，有望推動酶催化技術在環境修復領域的實際應用。