一种磷酸铜纳米球及其制备方法和应用与流程

本发明涉及纳米功能材料技术领域，特别涉及一种磷酸铜纳米球及其制备方法和应用。

背景技术：

随着人类环保意识及社会可持续发展理念的增强，酶催化工艺作为一种绿色的合成技术已成为目前化学工业领域中研究和应用的热点。作为工业生物技术的核心，酶催化技术被誉为工业可持续发展最有希望的技术。生物催化和生物转化技术，将是我国生物化工行业实现生产方式变更，产品结构调整与清洁高效制造的有力保证。近年来，随着绿色化学的兴起，酶催化作为绿色化学的一个重要组成部分，成为现代生物学和化学交叉领域里最活跃的研究领域之一，许多酶催化工艺已经用于手性药物、农药等精细化学品的生产中，并且有稳步上升，快速发展的趋势。但是，由于天然酶对热和pH极为敏感，因此具有稳定性差、易变性失活、贮存困难、价格昂贵等缺点，从而限制了酶催化工艺的规模开发和利用。

在这一研究背景下，一类可以模拟天然酶的催化活性的物质——模拟酶，逐渐被人们开发。模拟酶是人工合成的仿酶催化剂，它具有类似酶的催化功能，但结构比天然酶简单，化学性质稳定，还有高效、高选择性和价廉易得等优点。模拟酶的研究不仅对生物化学有重要意义，而且对绿色化学的开发和社会可持续发展都有着重要的研究价值。

2007年之前，过氧化物模拟酶的研究主要聚焦于金属-有机配合物模拟酶，虽然这些人工模拟物的成本比天然酶有所下降，但是作为有机物，其热稳定性差、耐酸能力差、易失活的不足，与天然酶相比，并没有得到明显改善。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种磷酸铜纳米球的制备方法和应用。本发明提供的制备方法制备的磷酸铜纳米球能够作为过氧化物模拟酶，且热稳定性好，耐酸性好。

本发明提供了一种磷酸铜纳米球的制备方法，包括以下步骤：

(1)将尿素和十二烷基硫酸钠溶于水中，得到混合溶液；

(2)将所述步骤(1)得到的混合溶液与水溶性铜盐、磷酸和水混合后进行水热反应，得到磷酸铜纳米球。

优选的，所述步骤(1)中尿素的质量与步骤(1)和步骤(2)中水的总体积比为3～6g：100mL。

优选的，所述步骤(1)中十二烷基硫酸钠的质量与步骤(1)和步骤(2)中水的总体积比为0.05～0.5g：100mL。

优选的，所述步骤(2)中水溶性铜盐中的铜与磷酸的摩尔比为1:1。

优选的，所述步骤(2)中水溶性铜盐的物质的量与步骤(1)和步骤(2)中水的总体积比为0.5～1mmol：100mL。

优选的，所述步骤(2)中水热反应的温度为80～100℃，水热反应的pH值为3.0～7.0，水热反应的时间为1～4h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的磷酸铜纳米球，粒径为150～500nm。

优选的，所述磷酸铜纳米球的粒径为200～400nm。

本发明还提供了上述技术方案所述磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶的应用。

优选的，所述磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩、聚吡咯或聚苯胺的合成。

本发明提供了一种磷酸铜纳米球及其制备方法和应用。本发明将尿素和十二烷基硫酸钠溶于水中，然后再将得到的混合溶液与水溶性铜盐、磷酸和水混合后，进行水热反应得到磷酸铜纳米球。本发明通过水溶性铜盐和磷酸在尿素和十二烷基硫酸钠的环境下水热反应制备得到磷酸铜纳米球，能够作为过氧化物模拟酶，且具有良好的热稳定性，耐酸性。实验结果表明，本发明提供的方法制备得到的磷酸铜纳米球粒径为150～500nm，在20～80℃的温度范围内和在pH值为2.2～4.0的酸性环境下都具有良好的催化活性。

附图说明

图1为实施例1中得到的磷酸铜纳米球的XRD图；

图2为实施例1中得到的磷酸铜纳米球的TEM图；

图3为实施例1中得到的磷酸铜纳米球的SEM图；

图4为实施例1中四甲基联苯胺(TMB)水溶液在不同条件下紫外-可见吸收光谱；

图5为实施例2～7中合成聚噻吩水分散液的紫外-可见吸收光谱图；

图6为实施例2和8～13中合成聚噻吩水分散液的紫外-可见吸收光谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种磷酸铜纳米球的制备方法，包括以下步骤：

(1)将尿素和十二烷基硫酸钠溶于水中，得到混合溶液；

(2)将所述步骤(1)得到的混合溶液与水溶性铜盐、磷酸和水混合后进行水热反应，得到磷酸铜纳米球。

在本发明中，水作为溶剂优选分不同批次加入。本发明对所述水的加入批次没有特殊的限定，根据反应原料的加入进行调整即可。在本发明中，下述反应原料的量的限定均以反应体系中水的总体积为基准。

本发明将尿素和十二烷基硫酸钠溶于水中，得到混合溶液。本发明对所述尿素和十二烷基硫酸钠溶于水的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合溶液的技术方案即可。本发明优选将所述尿素和十二烷基硫酸钠分别与部分水混合，得到尿素溶液和十二烷基硫酸钠溶液，再将尿素溶液和十二烷基硫酸钠溶液与部分水混合，得到混合溶液。本发明对所述尿素溶液和十二烷基硫酸钠溶液的浓度没有特殊的限定，能够将尿素和十二烷基硫酸钠溶解即可。在本发明中，所述尿素溶液中水的体积优选为水的总体积的4～5％。在本发明中，所述十二烷基硫酸钠溶液中水的体积优选为水的总体积的4～5％。

在本发明中，以整个反应体系中的水的总体积为基准，所述尿素的质量与水的总体积比优选为3～6g：100mL，更优选为4～5g：100mL。在本发明中，所述尿素可以缓慢提高反应体系的pH值。

在本发明中，以整个反应体系中的水的总体积为基准，所述十二烷基硫酸钠的质量与水的总体积比优选为0.05～0.5g：100mL，更优选为0.1～0.3g：100mL。在本发明中，所述尿素、十二烷基硫酸钠和水的混合溶液为水溶性铜盐和磷酸反应生成磷酸铜提供均匀的环境。在本发明中，所述混合溶液中水的体积优选为水的总体积的90～92％。

得到混合溶液后，本发明将所述混合溶液与水溶性铜盐、磷酸和水混合后进行水热反应，得到磷酸铜纳米球。在本发明中，所述水溶性铜盐中的铜与磷酸的摩尔比优选为1:1。在本发明中，以整个反应体系中的水的总体积为基准，所述水溶性铜盐的物质的量与水的总体积比优选为0.5～1mmol：100mL，更优选为0.6～0.8mmol：100mL。在本发明中，所述水溶性铜盐优选为无机水溶性铜盐，更优选为硫酸铜和/或氯化铜。

本发明对所述混合溶液与水溶性铜盐、磷酸和水的混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合溶液的技术方案即可。在本发明中，所述混合溶液与水溶性铜盐、磷酸和水的混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为800～1200r/min，更优选为900～1100r/min；所述搅拌的时间优选为25～35min。

在本发明中，所述磷酸优选以磷酸溶液的形式混合。本发明优选将所述水溶性铜盐与部分水混合，得到水溶性铜盐水溶液；再将所述水溶性铜盐水溶液与磷酸溶液和混合溶液混合。本发明对所述水溶性铜盐水溶液和磷酸溶液的浓度没有特殊的限定，保证水的总体积不超过上述基准即可。在本发明中，所述水溶性铜盐水溶液的摩尔浓度优选为0.125～0.25mol/L。在本发明中，所述磷酸溶液的质量浓度优选为25～30％。

本发明对所述水热反应的装置没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的水热反应装置即可。在本发明中，所述水热反应的装置优选为高压反应釜。在本发明中，所述水热反应的温度优选为80～100℃，更优选为85～95℃；所述水热反应的pH值优选为3.0～7.0；所述水热反应的压力优选为高于大气压，更优选为0.2～1MPa；所述水热反应的时间优选为1～4h，更优选为2～3h。在本发明中，所述水热反应过程中，铜离子与磷酸反应生成磷酸铜。

水热反应完成后，本发明优选将所述水热反应的产物进行后处理，得到磷酸铜纳米球。本发明对所述后处理的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的后处理的技术方案即可。在本发明中，所述后处理优选包括：对所述水热反应产物依次离心、洗涤和干燥，得到磷酸铜纳米球。在本发明中，所述离心的速率优选为4000rpm以上，更优选为5000～6000rpm。在本发明中，所述洗涤的洗涤剂优选包括水和乙醇；所述洗涤的步骤具体为：先用水洗涤3～4次，再用乙醇洗涤3～4次。在本发明中，所述干燥的温度优选为60～70℃；所述干燥的时间优选为22～24h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的磷酸铜纳米球，粒径为150～500nm，优选为200～400nm，更优选为250～350nm。

本发明还提供了上述技术方案所述磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶的应用。在本发明中，所述磷酸铜纳米球优选作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩、聚吡咯或聚苯胺的合成。

本发明对所述磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩的合成的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的催化聚合反应的技术方案即可。在本发明中，所述磷酸铜纳米球优选作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩的合成优选包括如下步骤：

将3,4-乙撑二氧噻吩单体、聚苯乙烯磺酸钠和缓冲溶液在冰浴条件下第一混合，得到混合物料；

将所述混合物料与上述技术方案所述磷酸铜纳米球和氧化剂第二混合，聚合反应得到水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩。

本发明优选将3,4-乙撑二氧噻吩单体、聚苯乙烯磺酸钠和缓冲溶液在冰浴条件下第一混合，得到混合物料。在本发明中，所述3,4-乙撑二氧噻吩单体和聚苯乙烯磺酸钠的摩尔比优选为1:1。在本发明中，所述缓冲溶液优选为柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液。

在本发明中，所述冰浴的温度优选为-1～1℃。在本发明中，所述冰浴能够防止3,4-乙撑二氧噻吩单体的氧化。

本发明对第一混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合溶液的技术方案即可。在本发明中，所述第一混合优选在搅拌条件下进行；所述搅拌的速率优选为800～1200rpm，更优选为900～1100rpm；所述搅拌的时间优选为3～4h。

得到混合物料后，本发明将所述混合物料与磷酸铜纳米球和氧化剂第二混合，聚合反应得到水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩。本发明对所述第二混合的操作没有特殊的限定，优选与第一混合的技术方案相同。在本发明中，所述磷酸铜纳米球与3,4-乙撑二氧噻吩单体的质量比优选为1:15～20，更优选为1:16～17。在本发明中，所述氧化剂与3,4-乙撑二氧噻吩单体的质量比优选为3～5:15～20，更优选为4:15～20。

本发明对所述氧化剂的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的氧化剂的种类即可。在本发明中，所述氧化剂优选为双氧水；所述双氧水的浓度优选为1～2mol/L。

在本发明中，所述聚合反应的温度优选为65～75℃；所述聚合反应的时间优选为22～24h。在本发明中，所述聚合反应优选在水浴条件下进行。

聚合反应完成后，本发明优选将所述聚合反应的产物进行后处理。在本发明中个，所述后处理优选包括离心后进行透析。在本发明中，所述离心的速率优选为5000～6000r/min；所述离心的时间优选为10～15min。在本发明中，所述离心可以去除磷酸铜纳米球以重复利用。

完成离心后，本发明将所述离心得到的上清液进行透析，得到水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩。在本发明中，所述透析的时间优选为22～24h。在本发明中，所述透析中透析袋的截留分子量优选为3000～3500KDa。在本发明中，所述透析的透析液优选为盐酸溶液；所述盐酸溶液的pH值优选为5.0。在本发明中，所述透析能够去除未反应的单体和分子量较小的低聚物，得到最终产物水溶性聚3,4-乙撑二氧噻吩。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的磷酸铜纳米球及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1:

准确称量6g尿素、0.05g十二烷基硫酸钠(SDS)、0.125g硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)、0.163g质量分数30％的磷酸，各用4mL去离子水室温充分搅拌溶解，依次滴加到称有84mL去离子水的烧杯中，继续搅拌30分钟，搅拌速率800rpm，将混合物转移至170mL体积高压釜中，80℃，反应开始前pH值为3.0，反应2小时，反应结束后pH为7.0，产物离心，离心速率4000rpm，离心沉淀用去离子水和乙醇各洗涤3次后，60℃鼓风干燥箱干燥24h，制得磷酸铜纳米球。

本实施例制备的磷酸铜纳米球的XRD、TEM和SEM图分别如图1、图2和图3所示。从图1可以看出，各衍射峰与PDF标准卡片中22-0548相吻合，表明制备产物为Cu₃(PO₄)₂·3H₂O；从图2和图3可以看出，本实施例制备的磷酸铜纳米球的粒径为150nm。

对本实施例制备的磷酸铜纳米球进行过氧化物酶活性的测试：

①10mg本实施例制备的磷酸铜纳米球，分散于10mL超纯水中，获得质量浓度为1mg/mL的磷酸铜纳米球的水分散液。

②准确量取50μL摩尔浓度为25mM的四甲基联苯胺(TMB)水溶液和50μL摩尔浓度为25mM的H₂O₂水溶液，再加入2.4mL柠檬酸钠-磷酸氢二钠缓冲溶液(pH由1.0变化至9.0)，在200～800nm波长范围内记录TMB-H₂O₂混合溶液的紫外-可见吸收光谱入图4所示。从图4可以看出，在波长为650nm附近没有出现明显的吸收峰，表明TMB在H₂O₂条件下未被明显氧化。

③准确量取50μL上述质量浓度为1mg/mL的磷酸铜纳米球的水分散液，加入TMB-H₂O₂混合溶液中，观察混合溶液的颜色变化，当发现颜色几乎不变时，记录混合溶液的紫外-可见吸收光谱如图4所示。从图4可以看出，TMB被氧化后混合液的颜色会从无色变为蓝色，并且在波长为650nm附近出现明显的吸收峰，表明加入磷酸铜纳米球后TMB发生显著氧化，该磷酸铜纳米球材料具有过氧化物酶活性。

实施例2:

将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成：

①准确称取0.085g 3,4-乙撑二氧噻吩单体和0.124g聚苯乙烯磺酸钠，加入到20毫升pH＝3.2的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液中，冰浴下搅拌4小时。

②加入5mg实施例1所制备的磷酸铜纳米球过氧化物模拟酶，移取598μL的1mol/L的过氧化氢溶液滴加入上述溶液，70℃水浴搅拌反应，令噻吩单体在磷酸铜纳米球的催化下发生聚合。

③聚合反应24h后结束反应，将反应体系在6000转/分钟的转速下离心10分钟，以去除磷酸铜纳米球催化剂。

④上层离心液转入截留分子量为3500KDa的透析袋中，于pH＝5.0的盐酸溶液中透析24小时，去除未反应的单体和分子量较小的低聚物，得到最终产物水溶性聚3,4-乙撑二氧噻吩。

实施例3:

按照实施例2中的方法，以pH＝2.2的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例4:

按照实施例2中的方法，以pH＝2.8的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例5:

按照实施例2中的方法，以pH＝3.0的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例6:

按照实施例2中的方法，以pH＝3.4的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例7:

按照实施例2中的方法，以pH＝4.0的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

对实施例2～7中合成聚噻吩水分散液进行吸光度测试，得到不同pH值下吸光度结果如图5所示。从图5可以看出，本发明提供的制备方法制备的磷酸铜纳米球可作为过氧化物模拟酶在不同pH条件下催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成，耐酸性良好。

实施例8:

按照实施例2中的方法，在20℃水浴搅拌反应，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例9:

按照实施例2中的方法，在30℃水浴搅拌反应，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例10:

按照实施例2中的方法，在40℃水浴搅拌反应，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例11:

按照实施例2中的方法，在50℃水浴搅拌反应，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例12:

按照实施例2中的方法，在60℃水浴搅拌反应，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

实施例13:

按照实施例2中的方法，在80℃水浴搅拌反应，将实施例1得到的磷酸铜纳米球作为过氧化物模拟酶催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成。

对实施例2和8～13中合成聚噻吩水分散液进行吸光度测试，得到不同温度下吸光度结果如图6所示。从图6可以看出，本发明提供的制备方法制备的磷酸铜纳米球可作为过氧化物模拟酶在不同温度下催化水溶性导电聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)的合成，耐温度稳定性好。

实施例14:

准确称量6g尿素、0.05g十二烷基硫酸钠(SDS)、0.125g硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)、0.163g质量分数30％的磷酸，各用4mL去离子水室温充分搅拌溶解，依次滴加到称有84mL去离子水的烧杯中，继续搅拌30分钟，搅拌速率1200rpm，将混合物转移至170mL体积高压釜中，80℃，反应开始前pH值为3.0，反应2小时，反应结束后pH为7.0，离心速率6000rpm，离心沉淀用去离子水和乙醇各洗涤3次后，60℃鼓风干燥箱干燥22h，制得磷酸铜纳米球，粒径为300纳米。

实施例15:

准确称量6g尿素、0.5g十二烷基硫酸钠(SDS)、0.125g硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)、0.163g质量分数30％的磷酸，各用4mL去离子水室温充分搅拌溶解，依次滴加到称有84mL去离子水的烧杯中，继续搅拌30分钟，搅拌速率1000rpm，将混合物转移至170mL体积高压釜中，100℃，反应开始前pH值为3.0，反应2小时，反应结束后pH为7.0，离心速率5000rpm，离心沉淀用去离子水和乙醇各洗涤3次后，60℃鼓风干燥箱干燥23h，制得磷酸铜纳米球，粒径为500纳米。

由以上实施例可以看出，本发明提供的或按照本发明制备方法制备的磷酸铜纳米球能够作为过氧化物模拟酶，且具有良好的热稳定性和耐酸性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。