華南理工大學尹壽偉、香港中文大學魏濤《Chem.Sci.》:蛋白質驅動無限循環的pH響應乳液讓催化劑循環不再困難

華南理工大學尹壽偉、香港中文大學魏濤《Chem.Sci.》:蛋白質驅動無限循環的pH響應乳液讓催化劑循環不再困難

乳液是通過蛋白質,聚合物或固體顆粒等乳化劑穩定的液中液滴。它們的尺寸分佈范圍從幾納米到幾百微米。傳統上,它們已被用作化妝品,食品和制藥行業中的輸送系統,並且具有新興應用,例如用於新材料合成的模板以及用於界面催化的納米或微型反應器。對於乳液界面催化(EIC),催化劑的有效分離和回收是可持續和綠色化學的主要目標之一。但是,傳統上常常通過離心和過濾進行分離和回收EIC中的催化劑,這既費時又耗能。

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【研究成果】

為解決這一難題,華南理工大學尹壽偉教授和香港中文大學魏濤教授團隊在國際著名期刊Chemical Science上發表瞭封底文章‘Sodium caseinate as a particulate emulsifier for making indefinitely recycled pH-responsive emulsions’,報告瞭使用未經修飾的蛋白質(酪蛋白酸鈉NaCas)構建超級pH響應乳液,此外通過負載超小納米Au簇作為復合乳化劑來構建pH響應界面催化體系,該體系通過簡單的調控pH可實現催化劑循環使用和產物分離。席永康博士為該論文的第一作者,尹壽偉教授和魏濤教授為本文共同通訊作者。

【圖文速遞】

獲得的NaCas穩定乳液的乳化/破乳可以通過簡單地改變pH值來觸發100個循環以上(圖1a)。此外,在6.1 M NaCl(飽和溶液)存在的情況下該體系仍可正常運行5次以上(圖1b)。由於整個循環僅引入水和鹽,因此該系統在理論上可以無限期回收。當使用模擬海水作為溶劑時體系運行良好(圖1c),這表明使用NaCas作為顆粒乳化劑建立瞭非凡而堅固的pH響應乳液系統。

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圖1. NaCas穩定的pH敏感型乳液

瞭解NaCas在pH敏感型乳液中的功能,為我們提供瞭一種進一步設計乳液的工具,即使乳液已被常規固體顆粒穩定。

為瞭證明這一點,作者將NaCas物理吸附到疏水玉米醇溶蛋白顆粒(zein-NaCas)或親水性SiO2裸露顆粒(SiO2-NaCas)上,然後用於穩定o / w乳液。

圖2a,b顯示,經NaCas改性玉米蛋白-NaCas或SiO2-NaCas穩定的乳液可以在10個循環內打開和關閉。

SEM圖像顯示乳液的界面層被定義明確的二氧化矽(SiO2-NaCas見圖2 a1,a2)或玉米醇溶蛋白膠體顆粒(zein-NaCas見圖2b1,b2)覆蓋,這由來自FITC-的CLSM圖像進一步證實標記的二氧化矽(圖2a3)和FITC標記的玉米醇溶蛋白(圖2b3)。

因此,我們的發現使得能夠將由裸露的SiO2或玉米醇溶蛋白納米粒子穩定的常規Pickering乳液工程化為對pH敏感的Pickering乳液,這將為探索其在非均相催化中的應用開辟一條新途徑。

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圖2. SiO2-NaCas和zein-NaCas穩定的pH響應乳液

接下來作者利用這些特性設計瞭高效且可回收的催化系統。作為概念證明,作者首先通過在NaCas上原位生長Au NCs來制備Au / NaCas催化劑(NaCas-Au),然後測試瞭制備的納米顆粒在配方乳液中的界面催化作用(圖3)。

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圖 3. NaCas-Au NC進行的可回收界面催化

【亮點】

利用該連續的催化劑分離和再循環系統,可以顯著提高化學過程的整體效率,並且可以簡化後處理方法。此外,該載體在該平臺上的主要優勢在於它是一種天然蛋白質,根據綠色和可持續化學的概念,它提供瞭催化生產食品和藥品等產品的可能性。因此,該策略可能會為建立具有各種可回收催化劑和分離產品的綠色可持續平臺提供有趣的途徑。

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