纳米Pd-Cu双金属的制备及其类酶活性探究

王文静，孙凯悦，李玲芸，汤达超，赵怡君，王庆飞，崔荣静

（1.河北师范大学 化学与材料科学学院，石家庄 050024；2.常熟理工学院 材料工程学院，江苏 常熟 215500）

纳米多孔金属是由三维双连续的纳米孔隙和金属韧带组成的新型功能材料，因其高比表面积和金属良好导电性，在催化、传感和燃料电池等方面均有广阔的应用前景.制备纳米多孔金属的常用方法之一是脱合金化法，具有操作简单、制备流程短且成本相对较低的特点[1].而将贵金属与其他金属复合制备双金属，在减少贵金属用量的同时，也很大程度地降低了制备成本.

Wu 课题组制备了具有PdPt合金纳米点的金纳米棒[2]，并发现该材料具有良好的类氧化物酶活性.另有研究发现，贵金属粒子[3-5]、锰材料[6-7]、铁磁纳米材料[8]等许多纳米材料均具有氧化物纳米酶活性.在本实验中，我们通过电弧熔炼以及脱合金化法制备纳米多孔铜（NPC），并将其作为模板与氯亚钯酸钾（K2PdCl4）溶液进行氧化还原反应来制备纳米Pd-Cu双金属.实验结果表明纳米Pd-Cu双金属具有类氧化物酶活性.

1 实验

1.1 仪器与试剂

TU-1901型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；磷酸二氢钠、一水合柠檬酸（AR，江苏强盛化工有限公司）；3,3’,5,5’- 四甲基联苯胺（TMB）（≥99%（GC），Sigma-Aldrich公司）；氢氧化钠（NaOH）（≥98%，General-Reagent公司）；萘酚（Nafion）（5%w/v，Sigma-Aldrich公司）.SA-HF3型 X 射线衍射仪（日本 Rigaku公司）；EVO18型扫描电子显微镜（德国 Zeiss 公司）；Tecnai G220S-TWIN型透射电子显微镜（美国FEI 公司）.

1.2 纳米Pd-Cu双金属的制备及其表征

将所称取原子百分比为20︰80的铜和铝放入真空熔炼炉水冷金属坩埚中制备出所需比例的Cu20Al80合金块.随后在高纯氩气保护下，将其甩成厚度为50 μm左右的合金条带.

本实验先对超声清洗后的前驱体置于1 mol/L的NaOH溶液中进行脱合金化处理，将在 30 ℃下腐蚀6 h的NPC作为后续实验的模板.将浓度比为1︰1的K2PdCl4溶液和NPC在室温条件下磁力搅拌反应6 h.反应结束后将产物用蒸馏水清洗离心3次，最后在真空烘箱中室温下干燥得到产物.通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）测试对材料进行表征.

1.3 模拟酶活性研究

称取适量样品分散于无水乙醇稀释的0.05% Nafion溶液中，使其浓度为3.6 mg·mL-1.在类酶催化活性的表征中，以纳米Pd-Cu双金属为催化剂，TMB为显示剂和反应底物.反应10 min后，由反应溶液在652 nm处的吸光度强度的变化确定其活性.K2PdCl4浓度、pH、反应温度和模拟酶浓度也对纳米Pd-Cu双金属模拟酶的催化活性有所影响，故而在实验中，也探究了这些因素对催化活性的影响.

2 结果与讨论

2.1 纳米Pd-Cu双金属的EDS和XRD分析

图1 （a）为Pd-Cu样品的EDS能谱.从图中可知材料是由Pd和Cu元素组成的，这也证明了实验中Pd纳米粒子已经成功置换到NPC模板上，合成了催化材料.图1 （b）为所制备的Pd-Cu催化剂的XRD图.从图中可以看到（111）、（200）、（220）和（311）晶面分别出现在2θ=41.8°，46.8°，68.7°和82.7°处，这属于Pd的面心立方结构，并且（111）衍射峰的高强度表明该方法制备的Pd粒子主要由（111）晶面组成.图中没有Cu的衍射峰，这可能由于所扫描的样品表面形成了一个富钯的表面层，从而导致铜的衍射峰强度很弱.

图1 纳米Pd-Cu双金属的EDS和XRD图

2.2 纳米Pd-Cu双金属的SEM、TEM和HRTEM分析

图2分别为NPC与K2PdCl4溶液置换后产物的SEM、TEM 和 HRTEM 图.从图 2（a）和图 2（b）产物的 SEM 图中可以看到NPC模板是三维双连续多孔结构.这种结构具有较大的比表面积，能够为Pd粒子的置换反应提供更多的活性位点，也有利于粒子的高度分散.从图2（c）和图2（d）产物的TEM和HRTEM图可以看出，大部分还原的Pd纳米粒子呈球状结构且粒子的平均粒径约为5 nm.从图2（d）可以看到Pd粒子该晶面的晶面间距为2.25 Å，这与Pd（111）的晶面间距相吻合.初步表明Pd-Cu催化剂的制备较为成功.

图2 （a）（b）纳米Pd-Cu双金属的SEM图；（c）（d）纳米Pd-Cu双金属的TEM和HRTEM图

2.3 模拟氧化物活性探究

图3为H2O2对催化活性的影响.可以发现加入100 μmol/L的H2O2的反应与无H2O2相比并没有变得更快，表明纳米Pd-Cu双金属仅具有特定的类氧化酶活性.此外，还观察到时间达到10 min时，吸光度趋于稳定.

图3 H2O2对催化活性的影响

图4为在pH=5的磷酸缓冲溶液（PBS）体系中不同条件下的紫外光谱.通过探究上清液（曲线e）对TMB的催化作用来验证溶液中所存在离子的影响.与纳米Pd-Cu双金属材料（曲线a）相比，上清液催化后溶液的吸收波长远低于模拟酶.故上清液并不具备催化性能.TMB为该反应的显色剂和反应底物，因此曲线d无波长变化.曲线b、c分别为纳米多孔钯（NP-Pd）和NPC对TMB的催化.可以看到，该两种物质在652 nm处只有微弱的吸光强度，因此均具有微弱的类氧化物酶性质.这也说明双金属Pd-Cu的协同作用使其催化性能优于单个金属.

图4 不同条件下的光谱

2.4 实验条件优化

纳米Pd-Cu双金属的催化活性与K2PdCl4浓度、pH、反应温度和催化剂浓度有关，因此可从这些相关因素中探究最佳的实验反应条件.

图5（a）为不同浓度的K2PdCl4溶液对模拟酶催化浓度的影响.从图中可以看出，吸光度随着其浓度的增大而增大，1.8 mmol/L的K2PdCl4溶液所制备的材料催化活性最高，而当浓度继续增大时吸光度呈现下降的趋势.因此选择1.8 mmol/L的K2PdCl4溶液制备NP-PdCu模拟酶.

图5（b）为在pH=3.0～7.0的磷酸盐缓冲液中考察不同酸度环境对模拟酶催化活性的影响.如图所示，模拟酶在酸性环境中具有很好的催化活性，且pH=5时催化活性最高.因此选择pH=5作为反应的最佳pH值.

图5（c）显示了温度对模拟酶催化活性的影响.从图中可以看出，吸光度随温度的升高而升高，50 ℃时催化活性最高，因此，选择50 ℃为最佳反应温度.

图 5（d）为模拟酶的浓度（5，10，15，16，18，20，25 μg·mL-1）对其催化活性的影响.由图可知，吸光度随着催化剂浓度的增大而升高.当浓度达到20 μg·mL-1时，吸光度达到平稳状态，因此模拟酶浓度选择 20 μg·mL-1.

图 5（e）为 TMB在75～400 μmol/L浓度时对模拟酶催化活性的影响.从图中可以得知，整体吸光度会随着TMB浓度增大而上升，当升至280 μmol/L时达到平稳.该变化规律符合米曼氏动力学理论.故TMB浓度为280 μmol/L时催化活性最佳.

图5 不同条件对纳米Pd-Cu双金属模拟酶催化能力的影响

3 总结

采用高压电弧熔炼-脱合金化法制备纳米多孔铜，然后与K2PdCl4溶液发生置换反应得到Pd-Cu双金属催化剂.经过SEM、XRD和HRTEM测试方法表征显示所制备的NPC具有的三维双连续多孔结构可为Pd粒子的置换反应提供更多的活性位点.而且Pd纳米粒子在NPC上分散均匀，不会发生明显的团聚现象.同时研究了在仅有TMB存在的体系中，该材料具有较好的类氧化物酶催化活性，该催化反应符合米曼氏动力学理论.