血红蛋白晶体限域钯纳米催化剂的绿色合成及其在Cr(VI)解毒中的超稳定性能研究

本研究针对工业Cr(VI)污染治理和畜牧业废弃血液资源化难题，创新性地以废弃牛血为原料合成交联血红蛋白晶体(CLHCs)作为纳米反应器，原位制备2 nm级均匀分散的钯纳米颗粒(Pd NPs)，开发出兼具高催化活性和超强稳定性的CLHCs@Pd催化剂。该催化剂在20次循环中保持Cr(VI)还原效率不变，突破传统催化剂易团聚、制备高耗能的瓶颈，为重金属治理提供绿色解决方案。

　　

随着工业发展带来的重金属污染日益严重，Cr(VI)作为水体中第二大重金属污染物，其强毒性可导致肝肾不可逆损伤。传统处理技术面临吸附效率低、催化剂不稳定等挑战。与此同时，畜牧业每年产生数百万吨废弃动物血液，既造成资源浪费又带来环境压力。如何将这两种环境问题协同解决，成为研究者关注的焦点。

西北工业大学生物材料团队创新性地提出"以废治毒"策略，利用废弃牛血中的血红蛋白构建三维有序晶体框架(CLHCs)，通过其规则孔道限域合成超小尺寸Pd NPs，成功开发出CLHCs@Pd纳米催化剂。该研究发表于《Environmental Research》，首次证实蛋白质晶体可作为理想的纳米反应器，其晶格结构对金属纳米颗粒具有精确尺寸调控功能。

研究采用同步辐射X射线单晶衍射(SXRD)解析晶体结构，结合SEM/TEM表征证实Pd NPs平均尺寸稳定在2 nm。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)揭示了血红蛋白氨基酸残基与Pd²⁺的配位机制。以Cr(VI)催化还原为模型反应，发现CLHCs@Pd的周转频率(TOF)达传统催化剂3倍以上，且20次循环后未出现活性衰减。

【材料与方法】
研究团队以屠宰场废弃牛血为原料，通过柠檬酸钠/氯化钠缓冲体系结晶血红蛋白，经戊二醛交联获得CLHCs。采用原位还原法在晶体孔道中合成Pd NPs，系统优化了pH、温度等参数。通过SEM、TEM、XRD等技术表征材料形貌，利用UV-vis监测Cr(VI)在600 nm特征吸收峰变化评估催化性能。

【Characterization of CLHCs】
SEM显示CLHCs呈规则立方体形貌，平均尺寸17 μm。XRD图谱显示典型的蛋白质晶体衍射峰，证实交联后仍保持完整晶格结构。这种有序孔道为Pd NPs限域生长提供了理想空间。

【Conclusion】
该研究开创性地将生物晶体工程与纳米催化相结合，CLHCs的三维有序结构不仅将Pd NPs尺寸精确控制在2 nm级，其丰富的氨基酸残基更有效防止纳米颗粒团聚。催化剂在Cr(VI)还原反应中展现出卓越的循环稳定性，突破传统催化剂"活性-稳定性权衡"困境。更重要的是，整个制备过程完全符合绿色化学原则，为重金属污染治理和畜牧业废弃物高值化利用提供了双重解决方案。

研究团队特别指出，蛋白质晶体的可设计性为后续开发系列金属纳米催化剂开辟了新途径。这种"自然启发"的合成策略，相比传统硬模板法具有更低的能耗和更优的生物相容性，在环境修复和生物医学领域展现出广阔应用前景。