中国农业大学赵广华研究团队ACB：将光敏剂血红素和生物催化剂纳米水铁矿同时整合到大肠杆菌铁蛋白中用于高选择性光催化还原CO2
论文DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123521
图文摘要
成果简介
近日，中国农业大学赵广华教授研究团队在Applied Catalysis B: Environment上发表了题为“Simultaneous integration of the photosensitizer hemin and biocatalyst nanoferrihydrite into a single protein nanocage for selectively photocatalytic CO2 reduction”的研究论文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2023.123521)。利用贵金属光敏剂(如Ru、Re和Ir)将CO2人工光还原成有价值的化学燃料，是减少CO2浓度上升引起的全球变暖的一种潜在方法，但这些贵金属光敏剂存在不可持续和负面的环境影响问题，因此限制了它们的应用。受到大肠杆菌铁储藏蛋白(EcBFR)天然结合血红素辅因子的启发，本文利用EcBFR分子构建了CO2光催化转化体系。在该转化体系中，多达12个血红素分子可以作为光敏剂结合到的蛋白质亚基间界面中，同时，利用生物合成途径可以在铁蛋白内部空腔中合成纳米水铁矿作为光催化剂。本文中所构建的光催化体系可以在温和条件下，以1-苄基-1,4-二氢烟酰胺(BNAH)为电子供体，在水溶液中高选择性地将CO2还原为甲酸。为了提高上述光催化平台的重复使用能力，通过π-π相互作用将EcBFR设计并构建成三维蛋白质晶体框架。与单个蛋白质纳米笼相比，这种蛋白质晶体框架的可重复使用能力提高了至少5个循环。这些发现为利用天然血红素作为光敏剂进行环境友好的CO2光催化还原提供了理论依据。
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利用贵金属光敏剂(如Ru、Re和Ir)将CO2人工光还原成有价值的化学燃料，是减少大气中CO2浓度的一种潜在方法，但这些贵金属光敏剂存在不可持续和负面的环境影响问题，因此限制了它们的应用。受到大肠杆菌铁储藏蛋白（EcBFR）与血红素辅因子结合的启发，本文利用EcBFR分子构建了CO2光催化转化平台。在该转化平台中，多达12个血红素分子可以作为光敏剂结合到的蛋白质亚基间界面中，同时，利用生物合成途径可以在铁蛋白内部空腔中合成纳米水铁矿作为光催化剂。本文中所构建的光催化平台可以在温和条件下，以1-苄基-1,4-二氢烟酰胺(BNAH)为电子供体，在水溶液中高选择性地将还原CO2为甲酸。为了提高上述光催化平台的重复使用能力，以上述构建的大肠杆菌铁蛋白作为构建模块，通过π-π相互作用设计了三维蛋白质晶体框架。与单个蛋白质纳米笼相比，这种蛋白质框架的可重复使用能力提高了至少5个循环。这些发现为利用天然血红素作为光敏剂进行环境友好的CO2光催化还原提供了重要参考。
引言
对于常见的人工光催化体系，光敏剂、半导体催化剂以及电子供体往往分散在非均相的反应体系中，因此存在电子传递效率低的问题；另一方面，传统的贵金属光敏剂价格昂贵，难以大规模应用；且当前使用的半导体催化剂的合成往往涉及到复杂繁琐的化学过程，不利于环境的可持续发展。本文以大肠杆菌铁储藏蛋白（EcBFR）作为光催化的反应平台，在温和的环境条件下将血红素和纳米水铁矿整合到铁蛋白的亚基间界面与内部空腔中，得到具有分级组装结构的一体化光催化体系，可在均相体系中实现CO2向甲酸的高选择性转化。
图文导读
基于EcBFR的光催化平台的构建
Fig. 1. Construction of an artificial CO2 photoredution platform by integration of the photosensitizer hemin and biocatalyst nanoferrihydrite into the subunit interface and the inner cavity of EcBFR.
在基于EcBFR的一体化光催化体系构建中，首先将光敏剂血红素插入到EcBFR的C2界面中，使得1分子EcBFR可以结合12分子血红素；之后加入二价铁离子，利用铁蛋白固有的铁氧化酶能力在其空腔中生物合成纳米水铁矿作为光催化剂；最终在温和的弱碱性水溶液中获得具有分级组装结构的复合光催化平台。
光敏剂的表征
Fig. 2. Incorporation of hemin into the inter-subunit interfaces of EcBFR.
EcBFR的晶体结构表明，血红素中的Fe与铁蛋白中第52位的甲硫氨酸形成配位键，血红素被稳定地结合在铁蛋白的C2界面；紫外-可见光谱表明1分子天然表达的EcBFR可结合2.5分子的血红素。将EcBFR与游离的血红素混合并在80 ℃的高盐缓冲液中孵育10 min后，EcBFR的C2界面可全部被血红素占据，即1分子EcBFR可结合12分子的血红素。同时，紫外-可见光谱表明血红素与EcBFR结合后的最大吸收峰迁移至420 nm，与游离血红素相比发生明显红移。
半导体光催化剂的表征
Fig. 3. Morphological analyses and particle size distribution of ferrihydrite nanoparticles. Scale bar represent 20 nm. (b) XRD analyses of ferrihydrite nanoparticles. (c) High-resolution XPS of Fe 2p. (d) High-resolution XPS of O 1s. (e) EPR spectra of synthesized ferrihydrite nanoparticles. Inset: Magnification of the curves in the magnetic field range of 3500 to 3530 G. (f) Photoluminescence (PL) spectra of ferrihydrite nanoparticles with different sizes biosynthesized by EcBFR-12Heme and 52H-EcBFR. Copyright 2024, Elsevier Inc.
透射电镜（TEM）显示纳米水铁矿的平均尺寸为4 nm左右，X射线衍射（XRD）表明EcBFR合成的纳米水铁矿是α-FeOOH和α-Fe2O3的类似物。X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁光谱（ESR）测试表明纳米水铁矿中存在大量的氧空位，在光催化过程中可以提供更多的表面活性位点。瞬时荧光光谱（PL）表明纳米水铁矿可产生电子-空穴对，水铁矿含铁量越多，电子-空穴对复合的效率越低，更加有利于光催化反应的发生。
EcBFR光催化平台的催化性能
Fig. 4. (a) Selectivity of formic acid. (b) Effect of different reaction conditions on CO2 photoreduction. (c) Formic acid generation rates obtained for photocatalytic reduction of CO2 by different constructed hybrid complexes. (d) Recyclability of the EcBFR-12Heme-800Fe photocatalytic platform. Copyright 2024, Elsevier Inc.
EcBFR光催化体系可将CO2还原为甲酸，其选择性高达87.5%。对照实验表明，在EcBFR光催化体系中，血红素和纳米水铁矿对CO2的还原重要的作用。随着血红素和纳米水铁矿的数量增加，CO2还原效率逐渐增加，EcBFR-12Heme-800Fe的CO2还原效率可达到147 μmol·g-1·h-1。但单一的EcBFR的稳定性较差，在经过2个循环后EcBFR体系发生降解，CO2转化能力下降。
EcBFR光催化平台的催化机理
Fig. 5. (a) UV-vis DRS. (b) Tauc plots. (c) Photocurrent response. (d) Nyquist plots. (Inset: The equivalent circuit used for fitting). (e) Mott-Schottky plots. (f) Ultraviolet photoelectron spectroscopy: binding energy to the Fermi level for EcBFR-12Heme-800Fe. Copyright 2024, Elsevier Inc.
利用紫外漫反射光谱以及Tauc-plot曲线得到纳米水铁矿作为半导体催化剂的禁带宽度为2.2 eV，EcBFR-12Heme-800Fe具有良好的电化学性质，通过紫外光电子能谱（UPS）的结果可以计算得到纳米水铁矿的价带、导带以及费米能级分别为1.45 eV、-0.75 eV和-0.12 eV。
Fig. 6. The possible mechanism of CO2 photoconversion by biosynthesized ferrihydrite nanoparticles.
基于以上结果可以揭示EcBFR光催化体系的催化机理，在可见光照射下，光敏剂血红素受到激发，使电子从水合铁纳米颗粒的价带跃迁至导带上，从而在BNAH作为电子供体的条件下将CO2还原为HCOOH。
三维蛋白质晶体框架的构建
Fig. 7. The possible mechanism of CO2 photoconversion by biosynthesized ferrihydrite nanoparticles.
单一的EcBFR光催化体系稳定性较差，构建具有有序三维结构的蛋白质纳米材料有利于提高EcBFR的稳定性。基于铁蛋白的结构对称性，利用关键界面设计策略在EcBFR的C4界面引入π-π相互作用，EcBFR可以迅速在含有50 mM MgCl2的MOPs溶液中形成三维蛋白晶体框架，X射线晶体衍射结果表明，该三维蛋白质晶体框架的结构由4对“面对面”平行的π-π相互作用维持。
Fig. 8. (a) The rate of formic acid generation for photocatalytic reduction of CO2 by EcBFR crystalline frameworks. (b) Recyclability of the 3D crystalline frameworks.
由EcBFR所构建的三维蛋白质晶体框架的光催化效率与单一的EcBFR光催化体系相比有所提升，更重要的是三维蛋白质晶体框架的稳定性得到大幅度提高，在至少5次循环使用后仍具有较高的CO2还原能力。
小结
这项工作报道了一种基于大肠杆菌铁蛋白的一体化光催化体系的设计与构建，首次利用血红素作为光敏剂还原CO2，利用生物合成途径在温和条件下制备纳米水铁矿作为半导体催化剂，并通过对纳米水铁矿的元素组成分析以及能带结构的测试揭示了该体系的光催化还原机理。该工作为利用蛋白质作为基础模块设计并构建光催化纳米材料还原CO2提供了可参照的思路。
——本文转自公众号“Environmental Advances”（推文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/u719XXVro-a8y0E2-dC23w）