新加坡国立大学李俊教授AM：新型生物炭复合水凝胶，高效净化酚类污染水的绿色催化新策略！

随着全球人口增长与工业发展，大量酚类有机物进入水体，对生态环境和人类健康构成严重威胁。传统的废水处理方法往往效率有限且能耗高，而酶催化技术虽条件温和、环境友好，但酶难以回收、无法连续使用等问题限制了其实际应用。酶固定化是解决上述难题的可行途径，但常规固定方法往往导致传质阻力增大，催化效率下降。如何在固定酶的同时保持甚至提升其催化性能，成为当前水处理技术面临的重要挑战。

近日，新加坡国立大学李俊教授、Zhu Jingling博士和WenYuting博士通过将富含表面官能团的生物炭与聚丙烯酰胺水凝胶结合，封装辣根过氧化物酶，构建出一种名为 Gel/BC-HRP 的复合催化材料。该材料在过氧化氢存在下，对酚类污染物展现出卓越的催化氧化性能，其反应速率比不含生物炭的对照组提升高达91.4倍，并表现出极高的周转频率。复合材料在循环使用八次后仍能保持约60%的苯酚去除效率，为绿色、高效的水体修复技术提供了新思路。相关论文以“A Biochar-Based Composite Hydrogel Microenvironment for Enhanced Biocatalysis”为题，发表在

Advanced Materials

研究团队首先对 Gel/BC-HRP 催化剂进行了系统的材料表征。扫描电子显微镜图像显示，冻干后的 Gel/BC₂₅-HRP 呈现多孔结构，凝胶孔隙中可见生物炭颗粒。X射线衍射图谱中，约22.3°处的宽峰证实了聚丙烯酰胺凝胶的存在，而22.9°附近的宽峰则对应于典型的无定形碳。傅里叶变换红外光谱进一步验证了凝胶与生物炭的成功复合，凝胶的特征峰（如C-N、C=O、N-H伸缩振动）与生物炭的特征峰（如O-H伸缩振动、COO-伸缩振动）同时出现。氮气吸附-脱附等温线也证实了材料的多孔特性，生物炭的加入略微增加了催化剂的比表面积和电子传递能力。

图1（a）：Gel/BC-HRP 催化剂的合成示意图。 （b）：Gel/BC-HRP 催化剂中微环境促进苯酚氧化的示意图。

图2：Gel/BC-HRP 的形貌与结构组成。（a,b）Gel/BC₂₅-HRP 的SEM图像；（c）不同 Gel/BC-HRP 催化剂的XRD图谱；（d）不同 Gel/BC-HRP 催化剂的FTIR光谱。

为了直观展示酶在催化剂中的分布，研究人员采用共聚焦激光扫描显微镜观察了用罗丹明B异硫氰酸酯标记的HRP。图像显示，在 Gel/BC₂₅-HRP 中，HRP发出的红色荧光与生物炭的分布区域高度重合。通过三维扫描分析更清晰地揭示，HRP倾向于分布在生物炭的表面，而非凝胶的其他区域。这种酶与生物炭的紧密结合，为后续的高效催化反应奠定了基础。

图3：通过CLSM分析测量的 Gel/BC₂₅-HRP 中HRP的分布。（a）Gel/BC₂₅-HRP 中RhBITC标记的HRP的红色荧光显示（HRP在凝胶中的分布）；（b）生物炭在凝胶中的分布；（c）上述两幅分布图像的合并图；（d–h）CLSM 3D分析第一阶段：扫描区域从生物炭上端外部向生物炭上端移动；（i–m）CLSM 3D分析第二阶段：扫描区域从生物炭上端向其中部移动；（n–r）CLSM 3D分析第三阶段：扫描区域从生物炭中部向其下端移动；（s–w）CLSM 3D分析第四阶段：扫描区域从生物炭下端向其下端外部移动。

在催化性能测试中，生物炭的加入带来了显著的提升。不含生物炭的 Gel-HRP 在20分钟内对苯酚的去除率仅约10%，而 Gel/BC₂₅-HRP 在相同时间内去除率超过90%。动力学分析表明，Gel/BC₂₅-HRP 的反应速率常数是 Gel-HRP 的91.4倍，且协同因子高达71.3，显示出强烈的协同催化效应。在极低的氧化剂/污染物条件下，其周转频率达到20.4 min⁻¹，优于许多先进的类芬顿单原子催化体系。该催化剂还表现出良好的循环稳定性，在8次循环后活性保持约60%，并在连续流动反应中展现出远超纯凝胶催化剂的持久性能。

图4：Gel-HRP 和 Gel/BC-HRP 催化剂的催化反应效果、催化剂循环性能及连续催化反应性能。（a）苯酚的降解；（b）苯酚降解数据的反应动力学拟合；（c）与不同单原子类芬顿催化剂的TOF值比较；（d）Gel/BC₂₅-HRP 的循环反应；（e）与不同酶基催化系统的循环性能比较；（f）连续反应中试装置示意图；（g）连续中试实验中的苯酚去除率；（h）Gel/BC₂₅-HRP 与 Gel-HRP 关键性能参数比较。

研究人员系统探讨了反应条件的影响。催化剂在pH 5.0–9.0的宽范围内保持高效，最适条件为中性。在一定范围内，增加HRP酶量或H₂O₂浓度均可提高苯酚去除率，但过量反而会因活性位点或氧化剂受限而抑制反应。催化剂在23°C至45°C的温度范围内也表现出良好的稳定性。

图5：Gel/BC₂₅-HRP 催化反应条件研究。（a,b）不同HRP用量对苯酚降解的影响及反应动力学拟合；（c,d）不同pH值对苯酚降解的影响及反应动力学拟合；（e,f）不同H₂O₂用量对苯酚降解的影响及反应动力学拟合；（g,h）不同底物浓度对苯酚降解的影响及反应动力学拟合。

机制研究表明，催化性能的提升与H₂O₂利用效率的提高密切相关。生物炭的掺杂形成了类似火山曲线的优化效果。进一步的实验揭示，苯酚的存在对于HRP催化循环至关重要，反应遵循非活性氧自由基途径。生物炭表面的缺电子基团（如-COOH）增强了其对苯酚的吸附能力。然而，过量生物炭会增加复合材料的疏水性，从而增大传质阻力，反而降低对苯酚和H₂O₂的吸附，导致催化效率下降。接触角测量证实了生物炭含量对材料亲疏水性的调节作用。

图6：H₂O₂利用效率对反应性能和机制的影响。（a）不同 Gel/BC-HRP 催化剂反应20分钟后的苯酚去除率；（b）不同 Gel/BC-HRP 催化剂反应20分钟后的H₂O₂消耗量；（c）三种不同条件下反应20分钟后的H₂O₂消耗量；（d）高级氧化体系和 Gel/BC₂₅-HRP 体系的DMPO–OH和DMPO–O₂–的EPR谱图。

通过建立二元线性回归方程，研究者量化了苯酚吸附和H₂O₂吸附对去除率的贡献，两者均呈现显著正相关。基于此，他们提出了微环境调控机制：聚丙烯酰胺凝胶中的氨基形成富电子区域，有利于吸附H₂O₂；而掺杂的生物炭在其表面羧基作用下形成缺电子区域，有利于吸附苯酚。两者共同构筑了一个优化的微反应环境，将底物浓缩在酶周围，从而大幅加速反应。

此外，Gel/BC₂₅-HRP 展现出广谱降解能力，能高效去除邻甲酚、间甲酚、连苯三酚、双酚A等多种酚类污染物，并且在含多种盐分、有机物甚至抗生素的复杂水体中保持稳定的降解性能。产物分析表明，该催化过程倾向于将苯酚聚合形成低水溶性的寡聚物，易于通过沉降或过滤分离，降低了二次污染风险。

图7：微环境促进苯酚去除的潜在机制。（a）不同 Gel/BC-HRP 催化剂在20分钟内的苯酚吸附率；（b）不同 Gel/BC-HRP 催化剂的接触角；（c）Gel-HRP的接触角；（d）Gel/BC₀₅-HRP的接触角；（e）Gel/BC₁₅-HRP的接触角；（f）Gel/BC₂₅-HRP的接触角；（g）Gel/BC₃₅-HRP的接触角；（h）不同 Gel/BC-HRP 催化剂在20分钟内的H₂O₂吸附量；（i）以苯酚吸附和H₂O₂吸附为自变量、苯酚去除率为因变量的二元线性回归方程拟合。

该研究通过巧妙的材料设计，将生物炭与水凝胶结合，不仅成功实现了辣根过氧化物酶的高效固定与循环使用，更通过构建“富电子-缺电子”微环境，破解了固定化酶传质受限的难题，显著提升了催化效率。这种策略为开发绿色、可持续、高性能的水处理生物催化剂提供了新的理论基础和技术路径，有望推动酶催化技术在环境修复领域的实际应用。