[发明专利]铁硫簇-蛋白凝胶复合物及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种铁硫簇‑蛋白凝胶复合物及其制备方法与应用，该铁硫簇‑蛋白凝胶复合物包括蛋白凝胶和装载于其中的铁硫簇催化剂，铁硫簇催化剂FeFe‑1的包载率为20～65％。本发明通过非共价自组装的途径，利用蛋白凝胶热变性过程中的疏水基团相互作用及二硫键交换，将铁硫簇催化剂原位结合到卵清白蛋白纳米凝胶中，以构建功能化的纳米凝胶反应器，提供了FeFe‑1在自然界中的工作环境，从而构筑成水相光驱动产氢体系，该体系不仅稳定性强，且应用于光催化分解制取氢时，在光照条件下，以钌化合物分子Rubpy为光敏剂，抗坏血酸为质子源和电子牺牲体，能够提高体系的光催化产氢能力。

技术领域

本发明属于复合物纳米材料领域，尤其涉及一种铁硫簇-蛋白凝胶复合物及其制备方法与其在光催化分解水制备氢气中的应用。

背景技术

能源是人类社会赖以生存的物质基础，也是经济与社会发展的重要资源。在过去的几十年中，煤炭、石油和天然气等重要的化石燃料是人类长期的主要能量来源，随着社会经济持续地高速发展，世界能源消费呈现着快速增长的态势。大规模地开发利用化石能源不仅迅速消耗着地球亿万年来积攒的宝贵资源，也引起气候变化、生态环境破坏等一系列负面环境问题，并对全球人民的生命和财产安全产生重大威胁，这也越来越成为制约人类进一步发展的巨大困扰。因此，改善能源结构，践行清洁、可持续的无碳能源技术的研究和发展，已经成为世界各国关注的焦点和重大战略，也是我们这个时代最迫切也是最重要的挑战之一。

氢气是一种具有高燃烧值、高效率和清洁的能源，常被视为太阳能的理想能量载体，太阳能可以通过分解水或其他途径转换为氢气储存的化学能，这为满足未来全球能源需求提供了最佳的长期解决方案。在天然光合作用的启发下，科学家们在上个世纪70年代就提出了太阳光光催化裂解水制氢的设想，并在仿生光催化析氢体系方面进行更深入的研究。仿生光催化产氢体系的基本原理为：光敏剂吸收可见光后受到激发产生能量电子给体，然后电子转移至催化活性中心，在充当催化剂的氧化还原酶的作用下，结合水中质子并催化质子还原释放出氢气，如此循环以实现太阳能到氢能的能量转化。自然界中的很多微生物体内都存在着能够利用太阳能催化水高效还原成氢气的生物酶，这个过程与植物的光合作用类似。其在温和调节下利用色素(PS)吸收太阳光能并驱动电子从水分子转移到氢化酶活性中心，然后活性中心进一步利用所获得的电子还原质子实现产氢，从而实现无污染的产氢过程。

针对以上问题，近年来，世界各国的多位科学家尝试引入第二配体球，并提高第一与第二配体球的规整与协调性以构建更有效的光催化产氢体系。第二配体球的引入不仅可以改善分子催化剂的疏水性，提升电子传递效率，也可能更好地模拟天然氢化酶催化反应条件，维持催化剂的活性和稳定性。第二配体球的选择非常广泛，可以是生物化合物，如蛋白质、钛、多糖等，也可以是非生物支架，如聚合物、凝胶、金属有机框架等。这为科学家创造廉价高效的光催化产氢体系提供了广阔的空间，但这种方法同样也不容易控制两者之间的优化比例，可操作性较难。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够在模拟自然界氢化酶水溶液环境下有效提升产氢性能的铁硫簇-蛋白凝胶复合物；本发明的第二目的是提供该复合物的制备方法；本发明的第三目的是提供该复合物的应用。

技术方案：本发明所述的铁硫簇-蛋白凝胶复合物，包括蛋白凝胶和装载于其中的铁硫簇催化剂，其中，铁硫簇催化剂的包载率为20～65％，该复合物包载量高且稳定性好。

本发明中，包载率的计算方法为：以铁硫簇催化剂为例，包载结束后，蛋白凝胶内的铁硫簇催化剂的分子数与包载前投入的铁硫簇催化剂分子数之比。

优选的蛋白凝胶包括卵清白蛋白、人血清白蛋白、牛血清白蛋白或铁蛋白，其中，卵清蛋白易溶于水，来源广泛，价格低廉，成胶性强，具有较优的载药能力。

优选的铁硫簇催化剂为FeFe氢化酶、NiFe氢化酶或Fe氢化酶，其中，FeFe氢化酶(FeFe-1)的催化活性最高，在自然条件下，每个氢化酶活性中心每秒可以产生6000～9000个氢气分子。