通过绿色合成方法制备的壳聚糖/金纳米粒子@海藻酸钙微球，用于高效且可重复利用的4-硝基苯酚催化还原反应

《International Journal of Biological Macromolecules》：Green-synthesized chitosan/AuNPs@calcium alginate microspheres for efficient and reusable catalytic reduction of 4-nitrophenol

金纳米颗粒催化体系通过槲皮素绿色还原和壳聚糖稳定化制备，并组装成钙藻酸盐复合微球，实现高活性（97%转化率/25min）、超长稳定性（960h）和五次循环高效性（96.9%转化率），在真实水体中保持优异环境耐受性。

　　

李晓璐|吴思|冯涛|吴彤|朱旭

武汉科技大学资源与环境工程学院，中国武汉，430081

摘要

金纳米颗粒（AuNPs）具有优异的催化活性，但存在显著的实用限制，如稳定性不足和回收困难。本研究采用槲皮素介导的绿色还原方法，并以壳聚糖作为稳定剂，合成了能够保持长期分散稳定性的壳聚糖/AuNPs（Chit/AuNPs）（960小时）。实验表明，壳聚糖的用量对控制AuNPs的尺寸至关重要，0.8毫升壳聚糖可制备出平均粒径约为16.8纳米的较小AuNPs。随后，通过静电吸引和Ca²⁺交联作用，将Chit/AuNPs固定在海藻酸钙网络中，成功制备出了可重复使用的Chitosan/AuNPs@Calcium Alginate（Chit/AuNPs@CaA）复合微球。该催化剂在室温下表现出高活性，在25分钟内实现了4-NP 97.0%的转化率，表观速率常数（k）为0.168 min^?1。值得注意的是，经过五次连续使用后，25分钟内的转化率仍保持在96.9%，证实了其作为可重复使用催化剂的可靠性。此外，在实际水样中，该催化剂的转化率仍超过96.1%，显示出良好的环境耐受性。这项研究为开发具有高活性、显著稳定性和实际应用潜力的新型催化材料做出了贡献。

引言

4-硝基酚（4-NP）是一种高毒性有机污染物，常见于废水中，在自然条件下难以降解。然而，其还原产物4-氨基酚（4-AP）不仅毒性大大降低，而且是药物合成中的关键中间体[1]、[2]。金纳米颗粒（AuNPs）因其高比表面积和出色的催化活性而成为4-NP催化还原的理想催化剂[3]、[4]。传统方法（如NaBH₄还原、柠檬酸三钠还原）可以快速合成不同尺寸的AuNPs，但这些方法通常涉及有毒试剂或高温操作[5]、[6]。因此，像槲皮素这样的天然黄酮类化合物是一种非常有前景的绿色替代还原剂。其分子结构中的儿茶酚基团赋予了其强大的还原能力，该基团中的羟基可以通过氧化反应提供电子和质子，从而在室温下将Au³⁺还原为Au⁰[7]。然而，由于高表面能，自由态AuNPs容易聚集，导致稳定性降低、催化活性减弱以及回收困难[8]。因此，在实际应用中实现AuNPs的绿色可控制备，并同时兼顾高活性、高稳定性、易回收性、高效率和低成本，仍是该领域面临的核心挑战[9]。

值得注意的是，AuNPs的催化效率与其胶体稳定性密切相关。不可逆的聚集和不稳定会导致活性位点的掩蔽及催化剂失活。根据经典的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论，胶体稳定性取决于范德华引力与静电斥力之间的平衡，因此AuNPs的稳定性取决于建立足够高的净能量屏障以防止聚集[10]。外部条件（如离子强度增加、极端pH值或温度变化）可能会压缩双电层、改变表面电荷状态或影响配体吸附-解离平衡，从而削弱静电斥力屏障并引发AuNPs的聚集[11]、[12]。在许多胶体系统中，较小的AuNPs更易聚集[13]，这主要是由于它们极高的比表面积导致的高表面能，以及表面电荷状态对环境扰动的高度敏感性，而不仅仅是范德华力的简单增强[12]、[14]。因此，调节表面化学和电荷性质对于提高胶体金的稳定性至关重要。

生物分子和天然聚合物（如明胶、丝素和壳聚糖）常被用作AuNPs的绿色稳定剂，因为它们具有良好的生物相容性、生物降解性和环境友好性[10]。其中，壳聚糖是一种阳离子多糖，主要来源于虾和蟹等甲壳类动物的外骨骼。其水溶性、电荷密度和生物活性主要由脱乙酰化程度（DD）和分子量（MW）决定。当脱乙酰化程度超过约50%时，在酸性条件下氨基（-NH₂）可 proton化为-NH₃⁺，从而获得水溶性。一般来说，较高的脱乙酰化程度意味着更多的自由氨基，这增强了质子化、电荷密度和生物活性；而较高的分子量主要提高了材料的机械强度和抗降解性。值得注意的是，这两个参数在制备过程中通常表现出协同作用[15]。此外，壳聚糖的-OH基团在加热条件下可以被氧化。因此，一些研究将壳聚糖同时用作AuNPs的还原剂和稳定剂[8]、[16]。还原过程包括两个关键步骤：首先，AuCl₄^?通过静电吸引与壳聚糖分子链上的-NH₃⁺结合；随后，Au³⁺被还原，同时C-6位置的伯羟基（-CH₂OH）和C-1位置的醛基（-CHO）被氧化[17]、[18]。新形成的AuNPs可以与-NH₂基团形成稳定的AuN键，而-NH₃⁺提供的静电斥力和壳聚糖长链在颗粒表面的空间位阻效应共同作用，有效地将AuNPs封装在核壳结构中[19]。然而，这种合成路线通常需要加热来驱动还原反应，从而消耗一定能量。此外，尽管生成的AuNPs具有良好的分散稳定性，但在催化应用中仍面临分离和回收的挑战。一种有前景的策略是将AuNPs固定在合适的、无毒且可回收的天然和合成材料上，如聚合物、粘土、碳材料等[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。

海藻酸钙（SA）是一种天然存在的阴离子生物聚合物，由β-D-甘露糖醛酸（M-块）和α-L-古洛糖醛酸（G-块）以不同比例组成，具有无毒性和生物相容性[25]。更重要的是，海藻酸分子链含有大量的-COOH基团。当环境pH值高于其pKa（约3.5）[26]时，这些-COOH基团可以脱质子化为带负电的-COO^?，这不仅赋予材料良好的亲水性，还能通过与壳聚糖中的正电荷-NH₃⁺发生静电相互作用形成稳定的聚电解质复合物[27]。此外，SA的G-块可以与Ca²⁺离子形成交联网络，具有较高的机械强度，称为“蛋盒”结构[28]。利用其优异的生物相容性和三维网络结构，Ca²⁺-交联的壳聚糖-SA复合物已广泛应用于药物输送和吸附分离等领域[29]、[30]。然而，开发兼具高活性、稳定性和可回收性的复合催化系统仍需进一步深入探索。

基于此，本研究采用槲皮素和壳聚糖作为还原剂和稳定剂，在静态室温条件下制备了不同粒径的壳聚糖/AuNPs（Chit/AuNPs）。通过UV–Vis光谱、TEM和Zeta电位表征确认了壳聚糖对Chit/AuNPs粒径和稳定性的影响。随后，通过Ca²⁺交联和静电吸附将Chit/AuNPs固定在海藻酸钙载体上，形成了Chit/AuNPs@CaA复合微球。系统评估了Chit/AuNPs的负载量、4-NP和NaBH₄的浓度、反应温度以及某些阴离子和有机物质对催化还原的影响。此外，还评估了壳聚糖/AuNPs@海藻酸钙复合微球在实际水样中的应用潜力，包括其机械强度、五次循环使用后的稳定性以及在实际水体中的催化性能。总之，Chit/AuNPs@CaA微球的制备方法操作简单且环保。更重要的是，该方法基于槲皮素的强还原能力和壳聚糖的高稳定性，利用壳聚糖和SA的协同效应为AuNPs创造了稳定的微环境，实现了从纳米级合成到宏观级回收和应用的有效转化，为开发高效且可重复使用的催化剂提供了新的范例。

材料与试剂

金氯化物（HAuCl₄·XH₂O）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。壳聚糖（Mw = 4.06 × 10⁵ g/mol，脱乙酰化程度85%，来源于甲壳类动物）购自东京化工（TCI，上海）。槲皮素（C₁₅H₁₀O₇，95%）购自赛默飞世尔科技（Thermo Scientific China）公司。硼氢化钠（NaBH₄）由天津凯梅尔化学试剂有限公司提供。冰醋酸（C₂H₄O₂）购自太仓虎石试剂有限公司。

UV–vis光谱

槲皮素含有多种具有化学还原能力的酚羟基，已被用于AuNPs的合成[34]。通过优化槲皮素和HAuCl₄的浓度，可以提高还原速率。在本研究中，将9毫升1 mM的HAuCl₄溶液与不同浓度（2、3、4、5和6 mM）的槲皮素溶液混合。已知AuNPs的表面电子在光照下可以集体振荡

结论

总之，本研究提出了一种新型的AuNPs合成策略，其中槲皮素作为绿色还原剂，壳聚糖同时起到稳定剂和尺寸调节剂的作用。该方法成功制备出了具有优异长期稳定性（超过960小时）和可调粒径的Chit/AuNPs。在此基础上，进一步实施了温和的封装策略，该策略依赖于Ca²⁺交联和壳聚糖与海藻酸钙之间的静电吸附，实现了高效

CRediT作者贡献声明

李晓璐：撰写 – 原始草稿、软件处理、数据分析。吴思：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论设计、概念构思。冯涛：监督、资源协调、方法论设计、概念构思。吴彤：数据验证。朱旭：数据验证、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22204124）、湖北省自然科学基金（2022CFB613）和湖北省重点研发计划（2021BCD002）的支持。同时，我们也感谢武汉科技大学分析测试中心的周金辉博士在FT-IR分析方面提供的帮助。