自支撑ZIF基纳米酶的设计及其在CO2捕获中催化活性与稳定性的协同提升

针对金属有机框架（MOFs）在CO2水合反应中催化活性低、回收性差的问题，研究人员通过仿生酶固定化策略，设计了一系列自支撑ZIF-8/ZIF-67纳米酶。通过载体固定、金属掺杂等方法，显著提升酯酶活性至0.23 U·mg?1（25°C）和2.75 U·mg?1（80°C），同时解决纳米颗粒团聚难题，为工业烟气碳捕集提供高效稳定的仿生催化剂。

　　

随着全球气候危机加剧，碳捕集与封存（CCUS）技术成为平衡能源需求与减排目标的关键。其中，模拟天然碳酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）的金属有机框架（MOFs）催化剂因其高效催化CO₂水合反应而备受关注。然而，纳米级MOFs（如ZIF-8）面临催化活性不足、易团聚和回收困难等瓶颈，严重制约其工业化应用。传统解决方案如添加粘合剂或构建核壳结构，往往引入杂质或破坏孔道结构，导致性能下降。

为解决这一难题，来自山东的研究团队创新性地提出“自支撑ZIF纳米酶”策略，通过仿生酶固定化思路，将纳米级ZIF锚定在微米级ZIF载体上，避免外源组分干扰。研究以TiO₂为初始载体，通过催化位点调控、表面活性剂修饰和金属离子（Co/Ni/Cu）掺杂，成功构建了ZIF-67(Tx)@ZIF-67等系列材料。最优催化剂在80°C下酯酶活性达2.75 U·mg^?1，较原始ZIF-8提升27倍，且循环稳定性显著改善。该成果发表于《Fuel》，为MOFs催化剂的工业应用提供了新范式。

关键技术包括：1）多尺度载体设计（20-200 nm TiO₂及ZIF-67微米载体）；2）金属离子掺杂调控活性位点；3）表面活性剂辅助形貌控制；4）酯酶活性测定（以p-NPA为底物）；5）CO₂吸附性能测试。

材料与试剂
采用醋酸锌、钴等金属盐与2-甲基咪唑配体，通过溶剂热法合成ZIFs，所有试剂未经纯化直接使用。

ZIF-8(Tx)@TiO₂
SEM显示20 nm TiO₂负载的ZIF-8呈十二面体结构，但粒径不均；200 nm载体体系则形成更均匀的核壳结构，证实载体尺寸对形貌的关键影响。

结论
研究突破性地实现纳米酶“自支撑”固定化，Ni/ZIF-67(Tx)@ZIF-67等材料兼具高活性（Zn²⁺-OH^–位点密度提升）与易回收性（微米级载体避免固液分离难题），其CO₂水合机制遵循四步催化循环：OH^–亲核攻击→中间体重排→HCO₃^–置换→OH^–再生。该设计摒弃传统粘合剂，避免孔道阻塞，为MOFs在有机胺吸收工艺中的规模化应用奠定基础。

讨论
相比前人研究的磁性ZIF-8@Fe₃O₄（95.2%相对活性）和ZIF-8@莫来石（61.29 mg·g^?1吸附量），本工作的自支撑体系在活性位点保留率和热稳定性（80°C）方面更具优势。未来可通过拓展载体类型（如多孔碳）进一步优化传质效率，推动CCUS技术的实际落地。