干真菌介导的金生物纳米复合材料合成：一种高效、环保且可持续的异相催化剂，用于选择性硝基还原反应

《Frontiers in Catalysis》：Dry fungus-mediated gold bio-nanocomposite synthesis: an efficient green and sustainable heterogeneous catalyst for selective nitro reduction

绿色合成与催化性能研究。干燥真菌生物质通过冷冻干燥和常规真空干燥制备金纳米复合物（GBNCs），无需溶剂或缓冲液，合成时间短（24小时），稳定性高（保质期超18个月），催化效率达95%。证实GBNCs在宽pH（4-10）和温度（25-80℃）范围内稳定，可重复使用超10次，并通过热重分析（TGA）和XRD表征其结构。研究为环境友好型工业催化提供新策略。

　　本研究介绍了一种新型、高效且环保的纳米颗粒合成方法，通过使用干燥的真菌生物质作为还原和稳定剂，成功合成了金基生物纳米复合材料（Gold Bio-Nanocomposites, GBNCs）。这种方法取代了传统依赖有害化学品、物理方法或其他生物方法的合成手段，为工业催化领域提供了一种绿色可持续的发展路径。实验中使用的真菌是 *Aspergillus trinidadensis* VM ST01′ OL587588，其在常温、无溶剂和无缓冲液的条件下，能够在水中作为有效的还原和稳定剂，从而形成具有均匀直径（约25纳米）的球形纳米颗粒。这种干燥的生物质不仅提高了合成效率，还具备更长的储存寿命（超过18个月）、良好的催化活性、保持形态完整性以及易于处理和运输等优点。

在实验过程中，研究人员对两种干燥方法进行了比较研究：一种是使用常规真空干燥，另一种是使用冷冻干燥（lyophilization）。两种方法均成功地保留了生物质的结构完整性，同时避免了细胞壁破裂和形成大孔道的问题。其中，冷冻干燥方法因其在低温下操作、不引入液态水、保持微生物结构完整性而被广泛应用于生物技术、食品制造、食品保存和制药等行业。而常规真空干燥则因其操作简便和成本效益，同样适用于本研究。通过这两种干燥方法得到的干燥生物质，在合成GBNCs时展现出几乎相同的效率。

GBNCs的合成过程采用了一种“一步法”策略，即在室温下将干燥的真菌生物质与金氯化物（AuCl?）混合，并在搅拌条件下进行反应。该方法无需额外的缓冲液或孵育步骤，显著简化了操作流程。实验结果显示，使用干燥生物质可以将合成时间缩短至24小时，而使用湿生物质则需要36小时。此外，干燥生物质还具有更好的催化性能，使得GBNCs在催化硝基苯还原为苯胺的过程中表现出高达95%的产率。这一成果不仅验证了干燥生物质在合成纳米颗粒中的潜力，也突显了其在催化反应中的高效性。

在GBNCs的表征方面，研究人员采用了多种分析技术，包括紫外-可见光谱（UV-Vis）、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）、粉末X射线衍射（powder XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）以及Zeta电位分析。这些分析结果表明，GBNCs具有良好的结晶性、稳定的表面电荷以及均匀的粒径分布。HR-TEM图像进一步确认了GBNCs的球形结构和其在生物质中的均匀分散性，而粉末XRD图谱则显示出与文献中金纳米颗粒（GNPs）标准图谱一致的特征峰，表明合成的GBNCs具有高度的结晶性。FT-IR分析则揭示了生物质中多种功能基团在GBNCs的形成和稳定过程中的作用，如蛋白质中的氨基（-NH?）、酰胺基团（-CO-NH-）以及羧酸基团（-COO?）等。

此外，研究人员还对GBNCs的储存稳定性、pH适应性以及温度稳定性进行了系统评估。实验表明，GBNCs在pH范围2至12内均表现出良好的稳定性，且在不同溶剂（如水、乙醇和二甲基亚砜）中也能保持均匀的分散性。这一特性使得GBNCs在实际应用中更加灵活，适用于多种反应体系。在储存稳定性方面，GBNCs在4°C条件下储存超过18个月后，其催化活性和形态完整性仍然保持良好，通过HPLC分析也验证了其催化能力未发生明显变化。同时，通过热重分析（TGA）和差示扫描量热分析（DSC），研究人员发现GBNCs在高温条件下具有更好的热稳定性，其分解温度比原始生物质高，这表明金纳米颗粒在提高材料耐热性方面发挥了重要作用。

GBNCs的可重复使用性是其在工业应用中的重要优势之一。实验显示，即使经过11次循环使用，GBNCs的催化效率仍能保持在92%以上，且残留的金离子含量非常低（仅0.251 ppm），说明其具有良好的抗流失性能。在回收和再利用过程中，FESEM图像显示GBNCs的结构保持完整，进一步验证了其在重复使用过程中的稳定性。这些结果表明，GBNCs不仅具有高催化效率，还具备出色的循环性能，适合大规模工业应用。

在催化机制方面，研究人员通过GC-MS和NMR分析，揭示了GBNCs在硝基苯还原反应中的作用路径。实验发现，GBNCs的催化过程主要通过间接的缩合路径进行，即通过生成中间产物如偶氮苯（azobenzene）和偶氮苯氧化物（azoxybenzene）来实现最终产物苯胺的生成。这一机制与传统化学催化剂有所不同，显示出GBNCs在催化反应中独特的电子传递能力，以及其作为生物催化剂的优势。此外，研究还表明，金纳米颗粒通过与生物质的结合，不仅提高了催化效率，还增强了材料的稳定性，使其在不同反应条件下都能保持良好的性能。

GBNCs的工业应用潜力得到了充分验证。其能够在宽泛的pH（4-10）和温度（25°C-80°C）范围内进行催化反应，且对反应条件具有较强的适应性。同时，其良好的储存性能、可重复使用性以及低金含量使其在经济性和环保性方面具有显著优势。通过将GBNCs与还原剂（如NaBH?）结合，研究人员成功实现了对硝基苯的高效还原，并且在实际操作中，反应体系能够在室温下进行，无需复杂的设备或额外的处理步骤。这一方法不仅简化了反应流程，还降低了对环境的影响，符合绿色化学和可持续发展的理念。

从实验结果来看，GBNCs的合成和应用均展现出良好的前景。其使用干燥的真菌生物质作为反应载体，避免了传统方法中对缓冲液和孵育条件的依赖，同时也减少了对有害化学品的需求。此外，干燥生物质的高有机含量和稳定的生物结构使其能够更有效地作为还原剂和稳定剂，从而提高了GBNCs的合成效率和催化性能。这些特性使得GBNCs成为一种极具潜力的生物催化剂，不仅适用于实验室研究，也具备在工业生产中的广泛应用价值。

综上所述，本研究通过利用干燥的真菌生物质作为绿色催化剂，成功合成了具有优异性能的GBNCs。该方法在合成效率、催化活性、储存稳定性、可重复使用性以及环境友好性等方面均优于传统方法。GBNCs的应用不仅为硝基苯等有机化合物的还原提供了新的解决方案，也为纳米材料的生物合成开辟了新的研究方向。未来，随着该技术的进一步优化和推广，GBNCs有望在制药、化工、环保等领域发挥更大的作用，推动绿色催化技术的发展。