一种具备循环稳定性的Co-Mn基双酶催化活性纳米薄膜及其制备方法和应用

本发明涉及一种co-mn基双酶催化活性纳米薄膜，尤其涉及一种具备循环稳定性的co-mn基双酶催化活性纳米薄膜，还涉及上述co-mn基双酶催化活性纳米薄膜的制备方法和应用。

背景技术：

1、酚类化合物（特别是邻苯二酚和对苯二酚）作为化工、制药和制造工业中广泛排放的剧毒且难降解的结构异构体，具有极高的环境流动性，对生态系统和人类健康构成了严重威胁。当前，传统的色谱和光谱检测方法需要昂贵的仪器和专业人员，而常规的电化学传感器则面临复杂的样品预处理过程。因此，开发稳健、高灵敏且高效的检测与降解平台成为迫切的环境需求。近年来，钴锰(comn)双金属纳米酶因其内部电子转移加速机制和丰富的多价态氧化还原特性，在多酶仿生催化领域展现出巨大优势。然而，现有粉末状钴锰纳米酶在连续液相反应和实际应用中存在三大致命缺陷：(1) 粉末纳米颗粒极易发生自发团聚，导致表面活性位点暴露不足；(2) 在连续液相催化反应中，活性组分容易发生严重的浸出与流失，导致信号逐渐劣化；(3) 粉末催化剂难以从反应体系中进行物理分离和回收，无法实现重复使用，不仅增加了应用成本，且极大地限制了其在长期环境监测中的可行性。

2、为了解决传质限制和催化剂回收问题，将纳米催化剂负载在膜表面或孔道内已被证明是一种可行的策略。阳极氧化铝(aao)模板具有高度有序的垂直多孔纳米通道和精确可调的孔隙尺寸，如文献“yang g, qian y, wang l, et al. advanced janus membrane(mxene/coal-ldh) for efficient asymmetric ion transport and nanofluidicenergy harvesting[j]. nano energy, 2023, 118: 108972”所公开，aao是一种理想的宏观支撑基底。传统的负载方法主要包括两类具体操作且存在导致上述技术缺陷的固有条件：一是物理浸渍涂覆或真空抽滤法，其缺陷条件在于本质上仅依赖于弱范德华力或静电吸引等物理吸附作用，活性颗粒极易在外表面及孔口处发生随机团聚，无法深入限域孔道内部，在连续液相冲刷的流体剪切力作用下极易发生大规模的活性组分剥落与流失；二是传统的无界面调控原位水热生长法，其缺陷条件在于缺乏对界面成核动力学的精准控制，反应体系中的晶核倾向于在溶液相中发生自发均相成核与生长，而非在aao的多孔蜂窝状壁面进行定向异相成核，导致催化剂在通道内壁定植极不均匀且多在膜外表面形成疏松无序的堆积层。

3、为此，亟需开发一种结合牢固、结构稳定且可多次重复使用、具备循环稳定性的宏观一体化纳米酶器件，以克服粉末催化剂在环境监测与治理中的技术瓶颈。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是解决现有粉末钴锰纳米酶易团聚、连续反应中活性组分易流失、难以从体系中分离回收而无法重复使用的技术问题，提供一种可重复利用、具备循环稳定性的co-mn基双酶催化活性纳米薄膜，还提供上述co-mn基双酶催化活性纳米薄膜的制备方法和应用。

2、技术方案：本发明的具备循环稳定性的co-mn基双酶催化活性纳米薄膜包括aao模板基底以及原位生长在其孔道内壁的三维花簇状钴锰纳米酶；所述三维花簇状钴锰纳米酶表现为由二维超薄纳米片相互交联组装而成的分级三维结构；所述co-mn基双酶催化活性纳米薄膜具有优异的循环稳定性，经过10次以上连续反应循环后，仍保持90%以上的氧化酶和过氧化物酶活性，且催化活性组分无明显流失。

3、上述具备循环稳定性的co-mn基双酶催化活性纳米薄膜由阳极氧化铝模板进行可控水热生长煅烧制得，制备方法包括以下步骤：

4、（1）制备阳极氧化铝aao模板：将铝合金基体依次进行砂纸机械抛光、电化学抛光后，在磷酸溶液中进行阳极氧化处理，得到具有70-80 nm孔径高度有序蜂窝状多孔结构的aao模板；

5、（2）孔道限域形貌可控水热生长：将六水合硝酸钴和六水合硝酸锰溶解于去离子水中，加入尿素和氟化铵作为界面结合剂，搅拌均匀得到混合前驱体液；将aao模板浸入前驱体液中，水热反应使由二维超薄纳米片组装而成的三维花簇状钴锰纳米酶均匀填充并牢固锚定在aao模板的孔道内壁；

6、（3）煅烧处理：将水热反应后的aao模板经去离子水与无水乙醇交替洗涤、真空干燥后煅烧，即得到所述具备循环稳定性的co-mn基双酶催化活性纳米薄膜comn mmos@aao。

7、其中，步骤（1）中，阳极氧化处理在250-300 g/ l磷酸溶液中以铅版为阴极，采用50v恒定电压进行10-20 min；所述机械抛光采用1500目sic砂纸打磨；所述电化学抛光在磷酸和乙醇体积比为4：1~1：4的混合液中进行，体积比优选为3:2；电流密度为20 a/dm2。

8、其中，步骤（2）中，前驱体液中，六水合硝酸钴、六水合硝酸锰的摩尔比为3:1~1：3，优选为3:1，总金属离子浓度为0.4-0.5 mol/l，其中钴离子可以用硫酸钴、氯化钴、醋酸钴等钴盐替代，硝酸锰可用醋酸锰、氯化锰等锰盐替代，溶剂中可添加乙醇、乙二醇。

9、其中，步骤（2）中，水热反应温度为110-130 ℃，时间为10-14 h。

10、其中，步骤（3）中，交替洗涤次数大于3次，干燥条件为50-80 ℃、6-8 h，煅烧条件为空气中以2-10 ℃/min升温至400-500 ℃、2-3 h。

11、上述具备循环稳定性的co-mn基双酶催化活性纳米薄膜在酚类污染物的色度学即时检测中的应用，即环境监测和水体修复中酚类污染物的比色检测。

12、其中，所述酚类污染物包括邻苯二酚和对苯二酚，所述薄膜对于邻苯二酚的检测限为0.18 μm，对于对苯二酚的检测限为0.26 μm。

13、发明原理：本发明的具备循环稳定性的co-mn基双酶催化活性纳米薄膜comn@aao，在微观结构上，该薄膜中的钴锰纳米酶表现为由二维超薄纳米片相互交联组装而成的分级三维结构（并非单一的实体花朵形态），这种分级结构均匀分布于aao的蜂窝状多孔通道内。由于纳米酶与aao孔壁结合牢固，且aao的孔道结构有效防止了纳米颗粒的团聚，因此表现出优异的循环稳定性。经过多次连续反应循环后，薄膜的氧化酶活性与过氧化酶活性仍保持高度稳定，有效规避传统粉末催化剂寿命短、易失活的缺陷；应用在酚类污染物检测中能够完整保留了三维花簇状钴锰纳米酶的本征催化活性，具备与粉末相当甚至更优的检测与降解性能，同时解决了粉末无法重复使用的致命缺陷，对于邻苯二酚(cc)的检测限可达0.18 μm，对于对苯二酚(hq)的检测限可达0.26 μm。

14、在本发明的制备步骤中，采用氟化铵作为结合剂具有至关重要的作用。氟化铵的引入能够有效调节反应体系的局部化学微环境，促进钴锰前驱体在aao孔道内壁的均匀成核和牢固锚定，显著增强了纳米酶与载体之间的界面结合力，从根本上防止了活性组分在连续循环使用过程中的流失与剥落。

15、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

16、（1）优异的循环稳定性和可重复使用性：本发明以50 v制备的aao为模板，通过原位生长将钴锰纳米酶牢固锚定在70-80 nm的孔道中，多次连续反应循环后仍保持稳定的双酶催化活性，有效防止了纳米颗粒的团聚和活性流失。

17、（2）催化性能高效：所得薄膜完整保留了三维花簇状钴锰纳米酶的本征催化活性，其分级三维纳米片结构提供了丰富的氧空位和多价态电子转移网络，显著加速了界面电子转移与超氧自由基的生成；

18、（3）易于分离与工业化应用：将纳米级粉末转化为宏观一体化薄膜器件，实现了催化剂与反应体系的轻松物理分离，极大降低了长期环境监测和水体修复的运行成本。