固酶纳米复合物光电催化性能评估的综合实验——多学科交叉综合性实验教学改革实践

doi:10.3866/PKU.DXHX202207059

摘要/Abstract

摘要：

针对现有固酶二氧化钛-碳纳米材料复合物基光电化学传感器存在的环境适应性和抗干扰性欠佳、灵敏度和底物选择性不够高以及构效关系研究不足等问题，系统探讨了不同功能单元与二氧化钛/碳基纳米材料之间各种相互作用与纳米复合物各基元结构、组成以及理化性质之间的关联。在此基础上确定制约其传感效能和应用价值的关键因素，阐述了未来构筑此类传感器构效关系模型所需解决的重点问题。本文设计了一个典型的综合性实验，介绍了固载牛血红蛋白的二氧化钛纳米球-3D氧化石墨烯共价偶联复合物基电极的制备方法。使学生掌握综合运用多种表征测试技术考察固载酶分子与载体各基元间相互作用对酶参与光电催化反应各相关步骤动力学的影响的方法，并了解固酶电极光电催化动力学参数测定的相关理论和方法。

关键词: 二氧化钛, 碳纳米材料, 光电化学传感器, 综合性实验, 催化动力学

Abstract:

Regarding the current photo-electrochemical sensor on the basis of TiO₂-carbon nano-material composite with enzyme incorporation, defects such as unfavorable environmental adaptability, undesirable anti-interference capability, inferior sensitivity, unsatisfactory substrate selectivity and insufficient efforts on the constitution-function relationship study are identified. The dependence of the interactions between the variable functional units within nano-complex and TiO₂/carbon nano-material on the structure, composition as well as physicochemical properties of the elements in nano-composite is systematically discussed. Efforts are made to define the key factor to restrict the sensing efficiency and applications of as-prepared photo-electrochemical sensor. The critical issue for the constructing the constitution-performance relationship model to develop the next generation photo-electrochemical sensor is elucidated. A classical comprehensive experiment is designed and presented. The method for preparing the electrode on the basis of nano-composite via the covalent coupling of TiO₂ nanosphere with 3D graphene oxide, and hemoglobin incorporation is introduced. The implementation of this experiment is aimed at the training of the students to use multiple techniques. Such characterization and measurement techniques can be proposed to explore the influence of the interactions between elements in nano-complex and incorporated enzyme molecules on the dynamics of relevant steps involved in the enzyme based photo-electrocatalytic reaction. The experimental set up is proposed to make the students understand and master the interrelated theory and means to determine the kinetic parameters of photo-electrocatalysis for enzyme-based electrode. The idea of closely integrating theory with practice, rigorous and realistic scientific attitude for the educational object could be developed with the execution of the comprehensive experiment.

Key words: Titanium dioxide, Carbon nano-materials, Photo-electrochemical sensor, Comprehensive experiment, Catalytic dynamics

杜虹, 张咪, 曾涵. 固酶纳米复合物光电催化性能评估的综合实验——多学科交叉综合性实验教学改革实践[J]. 大学化学, 2023, 38(5): 234-240.

Hong Du, Mi Zhang, Han Zeng. Comprehensive Experiment of Evaluating the Photoelectrocatalytic Eerformance of the Enzyme Nanocomposite: Reform and Practice of Multidisciplinary Comprehensive Experiment[J]. University Chemistry, 2023, 38(5): 234-240.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202207059

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2023/V38/I5/234

图/表 3

参考文献 25

1	Reyes-De-Corcuera J. I. ; Olstad H. E. ; Garcia-Torres R. Annu. Rev. Food Sci. Technol. 2018, 9, 293. doi: 10.1146/annurev-food-030216-025713
2	何传新. 聚合物/蛋白质核壳纳米粒子的合成及在葡萄糖传感器中的应用研究[博士学位论文]. 合肥: 中国科学技术大学, 2010.
3	Hu M. Y. ; Li Z. Z. ; Guo C. P. ; Wang M. H. ; He L. H. ; Zhang Z. H. Appl. Surf. Sci. 2019, 489, 13. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.05.146
4	Wang M. H. ; Zhang H. ; Liu M. L. ; Liu Y. Biosens. Bioelectron. 2021, 171, 112730. doi: 10.1016/j.bios.2020.112730
5	Wei J. ; Aori Q. L. ; Yan Y. ; Lei H. T. ; Zhang S. S. ; Liu W. P. ; Liu Y. J. Anal. Chim. Acta 2021, 93 (34), 11816. doi: 10.1021/acs.analchem.1c02395
6	赵转清; 姚素薇; 张卫国; 龚正烈. 物理化学学报, 2002, 18 (5), 473. doi: 10.3866/PKU.WHXB20020519
7	Zhang S. W. ; Zhang M. ; Wang F. ; Zeng H. Chem. Eng. J. 2022, 430, 132619. doi: 10.1016/j.cej.2021.132619
8	中国高等教育学会理科教育专业委员会2021年全体理事单位会议暨理科人才培养线上论坛顺利召开.[2021-12-21]. https://3g.163.com/dy/article/GROU57BE0516RJ0M.html
9	刘敏; 冯清. 大学化学, 2019, 34 (11), 88.
10	张树鹏; 钟秦; 葛玲玲; 郝艳霞; 董伟. 大学化学, 2019, 34 (11), 103.
11	马强; 魏士刚; 苏星光; 郭玉鹏. 化学教育, 2018, 39 (8), 35.
12	马贤波; 李新汉; 张富琴; 陈名红; 叶艳青; 黄超. 大学化学, 2021, 36 (8), 2009017.
13	史楠; 高保娇; 杨青. 物理化学学报, 2020, 40 (6), 667.
14	杨阳; 霍文珊; 周政; 张琪; 曾涵. 无机化学学报, 2016, 32 (12), 2117.
15	Kamaljeet B. S. ; SenGupta U. Frontiers in Chem. 2017, 4, 50.
16	毛慧; 蔡炳峰; 赵波; 王正武. 应用化学, 2009, 26 (11), 1332.
17	Shleev S. ; Christenson A. ; Serezhenkov V. ; Burbaev D. ; Yaropolov A. ; Gorton L. ; Ruzgas T. Biochem. J. 2005, 385, 745.
18	郑卫. 碳纳米管生物界面的构筑及其电化学性质的研究[博士学位论文], 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2006.
19	Zhao H. Y. ; Zhou H. M. ; Zhang J. X. ; Zheng W. ; Zheng Y. F. Biosens. Bioelectron. 2009, 25 (2), 463.
20	Qiu H. J. ; Xu C. X. ; Huang X. R. ; Ding Y. ; Qu Y. B. ; Gao P. J. J. Phys. Chem. C 2008, 112 (38), 14781.
21	刘科; 刘慧宏; 王启会. 应用化学, 2008, 25 (4), 409.
22	曾涵; 赵淑贤; 杨阳. 化学教育, 2018, 39 (8), 41.
23	腾峤昭. 电化学测定方法. 第1版. 陈震, 姚建年, 译. 北京: 北京大学出版社, 1995.
24	吴浩青; 李永舫. 电化学动力学, 第1版北京: 高等教育出版社, 1998.
25	李荻. 电化学原理, 第3版北京: 北京航空航天出版社, 2008.

[1]	高亚辉, 李娟, 尹国杰, 张拦, 赵丹, 常美佳, 张少文. 多孔碳材料制备及其电容性能——绿色化学综合创新实验设计[J]. 大学化学, 2023, 38(8): 108 -117 .
[2]	张万群, 邵伟, 杨凯平, 胡万群. 二氧化钛相变的原位高温X射线衍射分析——介绍一个仪器分析拓展性实验[J]. 大学化学, 2023, 38(8): 186 -191 .
[3]	刘金昌, 解强, 姜一鸣, 李亚平, 舒启萌, 叶小青, 黄婷婷. “活性炭表面改性及对苯的吸附研究”综合性实验设计[J]. 大学化学, 2023, 38(5): 130 -136 .
[4]	张永民, 樊晔, 刘雪锋, 胡学一, 方云. “两性一度”教学要求下的物理化学综合实验教学探索——以无表面活性剂微乳的构筑及应用为例[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2107111 - .
[5]	张杰, 尹泽群, 孙立波, 张岩, 高玥, 徐之婷, 宋薇. 聚苯胺负载纳米金催化剂的制备及其催化性能研究综合实验设计[J]. 大学化学, 2022, 37(3): 2105033 - .
[6]	何明宇, 李颖, 买买提江·依米提. 棉杆木质素提取及其对聚丙烯抗氧化性能分析的综合性实验[J]. 大学化学, 2021, 36(6): 2007004 - .
[7]	李彦琴, 张洁, 王卫, 杨金凤, 于锋. “双一流”建设背景下科教融合实验教学探索——以TiO₂光催化降解染料废水实验为例[J]. 大学化学, 2021, 36(6): 2008044 - .
[8]	佟宇婷, 代金玉, 赵剑英, 王润伟. 综合性化学实验设计: 中空介孔有机硅纳米材料制备与表征[J]. 大学化学, 2021, 36(4): 2004110 - .
[9]	田德美. 乙酰水杨酸(阿司匹林)的制备及纯化实验教学研究[J]. 大学化学, 2021, 36(2): 2001033 - .
[10]	金邦坤, 何卫东. 润物无声，启迪创新——从“冷冻聚合制备高分子量聚合物”综合实验谈起[J]. 大学化学, 2021, 36(12): 2102009 - .
[11]	司玉军, 刘新露, 张瀚丹, 刘珊珊, 刘旖歆. 设计综合性实验强化物理化学理论课教学探索——以原电池设计为例[J]. 大学化学, 2021, 36(1): 1910051 - .
[12]	罗米娜, 朱鹏飞, 陈馥, 邓茂青, 甘绮龙, 陈龙. 2-羟基-1-萘甲醛缩邻苯二胺席夫碱及其铜(Ⅱ)配合物的合成及组成测定——介绍一个大学化学综合实验[J]. 大学化学, 2020, 35(4): 152 -160 .
[13]	李洪光, 郝京诚. 富勒烯：美丽世界的尊贵访客[J]. 大学化学, 2020, 35(11): 86 -89 .
[14]	南志祥,李珺,张逢星,白银娟. 铜卟啉合成及其敏化二氧化钛光催化剂的制备——一个大学化学综合性实验[J]. 大学化学, 2017, 32(4): 46 -51 .
[15]	李乔丹,马晓清,崔晓莉. 嵌碳TiO₂的快速制备及其光催化制氢特性--介绍一个材料综合实验[J]. 大学化学, 2017, 32(2): 63 -68 .