有机磷农药（OPs）在世界范围内的应用促进了农业发展，但其在土壤和水中的逐渐积累会严重影响人类和其他哺乳动物的中枢神经系统。有机磷水解酶（OPH）是一种有效降解OPs的酶，但其降解产物如对硝基苯酚（p-NP）仍然是有毒的。此外，OPH的稳定性和可重复使用性差也限制了它的直接应用。因此，开发一种可高效固定化OPH并进一步对有毒产物p-NP进行降解的多功能集成催化剂具有重要意义。

河北工业大学周丽亚教授等人通过将OPH固定在中空结构Au-TiO₂上（命名为OPH@H-Au-TiO₂），构建了一种可见光辅助的酶-光集成催化剂，用于深度降解一种广泛应用的OPs——甲基对硫磷。制备的固定化酶一方面通过OPH将甲基对硫磷降解为p-NP，并利用H-Au-TiO₂在可见光下将甲基对硫磷p-NP降解为毒性低的对苯二酚；另一方面载体固定化有效提升了OPH的稳定性，而H-Au-TiO₂内表面残留的SiO₂涂层可以保护酶分子不被光催化失活。光辅助载体固定化酶的制备结合了生物催化与光催化的双重优点，实现了两种催化方式对甲基对硫磷的级联降解。

1. 设计并制备了一种可见光辅助酶-光集成纳米催化剂。

2. 该集成催化剂可以有效地深度降解有机磷农药。

3. 该集成催化剂实现了两种催化方法的有效级联。

该工作首先以树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒（DMSNs）为模板，在模板表面均匀生长TiO₂，得到结构规则的核壳结构微球SiO₂@TiO₂。通过刻蚀去除DMSNs模板后，得到多孔空心TiO₂（H-TiO₂）纳米球。然后，将金纳米粒子很好地修饰在H-TiO₂纳米球上得到H-Au-TiO₂，以促进可见光利用和电荷分离。最后，通过物理吸附将OPH固定在H-Au-TiO₂上，得到可见光辅助酶-光集成催化剂OPH@H-Au-TiO₂。制备过程见图1。SEM、TEM和TEM-mapping证明空心结构的形成和元素分布情况（图2）。

图1. OPH@H-Au-TiO₂的制备流程示意图

图2. (a) SiO₂@TiO₂ (b) H-TiO₂的SEM、TEM-Mapping图。

SiO₂@TiO₂中的Ti-O-Si键能抑制TiO₂成核，从而影响晶体相的变化。因此，该工作通过改变刻蚀时间来研究刻蚀程度对H-TiO₂晶相和结晶度的影响。XRD（图3a）图中可以看出，蚀刻12 h以内表现出锐钛矿相。随着时间的延长，H-TiO₂逐渐呈现无定形相。这是因为由于DMSNs的溶解，溶剂中的自由原子数量增加。当反应体系中的自由原子达到过饱和状态时，它们会沉积在TiO₂表面，从而抑制TiO₂的晶体生长。结合不同蚀刻时间的SEM图和比表面积结果，可以发现刻蚀8 h时，空心结构完整，比表面积最大。

图3. 不同刻蚀时间下H-TiO₂的XRD谱图（a）和N₂吸附脱附图（b）。

采用N₂吸附-脱附等温线研究了SiO₂、SiO₂@TiO₂、H-TiO₂和H-Au-TiO₂的BET比表面积和BJH孔径分布（图4）。所有材料均表现为介孔的存在。SiO₂@TiO₂、H-TiO₂和H-Au-TiO₂的BET表面积分别为211.94 m²/g、232.61 m²/g和226.19 m²/g。利用DRS分析了H-TiO₂、H-Au-TiO₂和OPH@H-Au-TiO₂的光吸收范围（图5）。从图5a可以看出，OPH的固定不影响H-Au-TiO₂的光吸收。与H-TiO₂相比，Au修饰的H-Au-TiO₂明显提高了可见光吸收能力，增加了光吸收带的范围。H-TiO₂与金纳米粒子之间形成了肖特基结，有利于光生电荷的分离。此外，金纳米粒子的SPR可以抑制复合电子空穴对，从而增加可见光范围内的光吸收。与H-TiO₂相比，H-Au-TiO₂的光致发光强度更低，说明金纳米粒子能够抑制光电子-空穴对的复合，从而加快了H-Au-TiO₂的光催化速率（图6）。

图4. (a) SiO₂、SiO₂@TiO₂、H-TiO₂和H-Au-TiO₂的N₂吸附-脱附等温线；(b) Barrett Joyner Halenda孔径分布.

图5. (a) H-TiO₂、H-1-Au-TiO₂、H-2-Au-TiO₂和H-4-Au-TiO₂的UV-Vis漫反射光谱（其中1, 2和4代表HAuCl₄浓度（1, 2和4 mg /mL））；(b)对应的Kubelka-Munk函数曲线。

图6. H-TiO₂和H-Au-TiO₂的PL光谱。

FT-IR、XPS、TEM-mapping和CLSM等均证明了OPH成功固定在H-Au-TiO₂上，且无泄漏。随后优化了固定化酶的条件，研究了OPH@H-Au-TiO₂在可见光下催化降解甲基对硫磷的性能（图7）。模型1和模型2中甲基对硫磷均能完全降解。在可见光照射下（模型1，30 min）的酶-光催化效果优于单酶在黑暗照射下（模型2，40 min）的催化效果。结果表明，光催化的加入也加速了甲基对硫磷的降解。由此可以得出，就OPH@H-Au-TiO₂的催化性能而言，模型1的反应优于模型2，也说明了酶-光级联催化对甲基对硫磷的良好降解。重复使用4次后，OPH@H-Au-TiO₂对甲基对硫磷的降解活性在模型1和模型2中均保持在75%以上，证明OPH@H-Au-TiO₂在两个反应模型中都保持了良好的可重用性（图8）。

图7. (a) OPH@H-Au-TiO₂的可见光催化性能(λ > 420 nm)；(b) p-NP相对浓度对甲基对硫磷的影响。

图8. OPH@H-Au-TiO₂对甲基对硫磷降解的可重用性。

为了进一步了解降解机理，本实验以异丙醇（IPA）、苯醌（BQ）和乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）为自由基清除物质，分别研究了它们对•OH、•O₂^-和h⁺的影响。实验结果表明，•O₂^-是OPH@H-Au-TiO₂降解p-NP的主要活性中间体（图9）。对此，我们提出OPH@H-Au-TiO₂对甲基对硫磷的降解机理如图10所示。

图9. 不同清除剂对OPH@H-Au-TiO₂降解p-NP的影响。

图10. OPH@H-Au-TiO₂在可见光下的酶-光催化机理。

综上所述，以DMSN为模板制备了多孔空心H-TiO₂纳米球。H-TiO₂中Ti-O-Si键的存在可以抑制TiO₂成核，从而稳定锐钛矿晶相，有利于提高光催化效率。将金纳米粒子负载到H-TiO₂纳米球上，可得到光催化剂H-Au-TiO₂。异质结结构的形成实现了可见光的有效利用。以H-Au-TiO₂为载体，将OPH固定在H-Au-TiO₂上，制备了酶光集成催化剂OPH@H-Au-TiO₂。H-Au-TiO₂具有较大的比表面积和良好的生物相容性，可以很好地保护OPH分子，减少酶活性的损失。两种催化方法相结合的酶光集成纳米催化剂可在可见光下串联降解甲基对硫磷，具有较高的催化效率和可重复使用性。本研究为不同催化方法的结合和降解有机磷农药提供了一条有效途径。

周丽亚  教授

点击下方“阅读原文”获取全文