[发明专利]一种高效催化二氧化碳转化甲醇的生物活性中空纳米纤维和中空微囊

说明书

技术领域

本发明涉及一种高效催化CO₂转化甲醇的生物活性中空纳米纤维和中空微囊，具体涉及一种利用同轴共纺静电纺丝技术与层层自组装技术原理相结合，将CO₂转化为甲醇的多酶体系原位包埋于掺杂有聚合电解质的中空纳米纤维或中空微囊的中空腔室内，并将碳酸酐酶组装到中空纳米纤维或中空微囊的外表面，加速CO₂的水合。

背景技术

大气“温室效应”与地球变暖将是21世纪全人类所面临的最大环境问题。海平面上升与陆地淹没、气候带移动、飓风加剧、植被迁徙与物种灭绝等重大灾难与之密切相关。在地球变暖方面起着重大作用的气体是甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)、氧化氮(N₂O)和氟烃合物(CFCs)，其中大气中CO₂浓度升高对环境和社会产生了深远影响，排放入大气中CO₂的3/4是由化石燃料燃烧造成的，其中电厂烟道气是CO₂最大的长期稳定集中排放源。

因此，温室气体CO₂的捕集与分离引起了越来越多的关注。CO₂捕集与分离方法主要有溶剂吸收法、固体吸附法、膜分离法、深冷分馏法等。到目前为止，吸收法仍然是应用最广泛的CO₂分离方法.有机胺溶液和无机碱溶液等吸收剂对CO₂吸收选择性高，但是能耗大，费用高，对设备腐蚀严重.固体吸附法主要有水滑石类、活性炭、沸石分子筛类吸附剂，以及一些新开发的吸附剂。自Kreage等首次报道M41S系列介孔分子筛至今，由于其规则的介孔结构，在需要分子识别的领域，例如选择性吸附、形态选择性催化、分子筛分离等方面的应用研究越来越引起人们的关注。

同时CO₂又是一种重要的工业原料，CO₂及其衍生产品应用广泛、前景广阔，回收的CO₂可以广泛用于合成有机化合物、灭火、制冷、金属保护焊接、制造碳酸饮料等，也可以注入石油和天然气田提高采油率，或注入煤田提高煤层气采收率。

因此，一方面，如何降低CO₂排放量，变废为宝，实现其分离回收与综合利用是摆在广大环境科技工作者面前的重要课题。另一方面，CO₂作为地球上最丰富的碳资源，可转化为巨大的可再生资源。现阶段，CO₂的资源化研究已引起人们的密切关注，且其开发前景非常广阔。

其中将CO₂转化为甲醇是一条具有重要研究价值和应用前景的途径，它不但可以解决CO₂的循环再利用问题，同时还可以为人类提供重要的化工原料和洁净燃料甲醇，为了实现CO₂向甲醇的转化，研究人员已尝试了多种方法，其中非均相催化法、电催化法和光催化法是具有代表性的几种转化方法，但这些方法要求的条件往往都很苛刻，如非均相催化法需要高温高压，而后两种方法则需外加电能或光能，且转化率不高，酶催化法以高效、专一及反应条件温和的优点，近年来备受关注，在CO₂的固定和还原反应中已有应用。但是由于酶分子稳定性差且价格昂贵，所以越来越多的研究将重点放在利用固定化多酶体系催化CO₂转化为甲醇。

早在1999年，Dave等(Journal of the American Chemical Society，1999，121，12192-12193)利用二氧化硅溶胶共固定化甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶以及乙醇脱氢酶，并使用外加游离的NADH作为氧化还原反应的电子供体，来实现CO₂转化为甲醇。但是这种固定化方法操作复杂繁琐，且涉及很多的有机溶剂，严重影响了固定化多酶体系的活性，从而使得整体催化效率较低。后来，Jiang等(ACS Catalysis，2014，4，962-972)仿生矿化和层层自组装技术来合成聚合物微囊，与此同时将多酶体系甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶以及乙醇脱氢酶定位组装在微囊中，在外加游离NADH作为氧化还原反应的电子供体的情况下，来实现CO₂转化为甲醇，这种固定化多酶体系的方法同时存在着操作复杂繁琐，而且还需要模板降解，有机溶剂的引入，最后导致多酶体系负载量低，整体催化效率低。