纳米限域的 MXene/共价有机框架光热生物反应器，用于高效催化和温度控制

《Bioresource Technology》：Nano-confined MXene/covalent organic framework photothermal bioreactors for efficient catalysis and temperature control

　　

何晨曦|李慧婷|陈嘉英|张振峰|姚晓辉|赵卫国|张东阳|王军

中国江苏省科学技术大学生物技术学院蚕桑与动物生物技术重点实验室，镇江212100

摘要

生物反应器在生物催化中起着至关重要的作用，尤其是在能源效率和催化稳定性仍为关键挑战的情况下。本研究报道了一种基于MXene/共价有机框架（MCOF）复合材料的连续流动光热生物反应器，该复合材料通过一步合成法获得，具有高比表面积和优异的光热生物催化性能。构建了具有纳米级限制效应的多层MCOF膜，实现了高效的酶固定和增强的质量传递。在近红外光照射下，MCOF膜能够快速将光转化为热能，从而有效管理酶的温度。与传统的热传导加热方法相比，该系统能耗降低了86%以上，每小时仅需2.14瓦时的能量。此外，MCOF膜的受限结构促进了底物与酶之间的相互作用和连续流动催化。为了达到相同的产物转化效果，受限结构仅需要自由酶反应时间的45%和分散MCOF粉末反应时间的55%。经过六次循环后，MCOF生物反应器在各种流动条件下仍保持了80%以上的催化活性和高转化率。这项工作整合了光热管理和受限催化技术，为开发高效、可重复使用且低能耗的生物反应器提供了新策略，适用于可扩展的绿色生物制造。

引言

酶是自然界中的催化剂，其高特异性和在温和环境条件下发挥作用的能力使它们在许多工业化学反应中不可或缺（Buller等人；Erdem和Woodley，2024；Galanie等人，2020；Wu等人，2021）。然而，酶的性能对温度非常敏感（Chen等人，2019；Pinney等人，2021；van der Ent等人），最佳催化活性通常局限于一个狭窄的温度范围内。偏离这个最佳温度范围，无论是高于还是低于，都可能导致活性显著下降（Akram等人，2024；Arcus和Mulholland，2020；Walker等人，2024）。在酶催化系统中，温度控制通常通过外部加热方法实现，包括水浴加热（Jiang等人，2021；Yang等人，2019）、空气摇床加热（Hong等人，2023；Li等人，2021）和微波加热（Cao等人，2023；Mao等人，2022）。在这些方法中，水作为主要的传热介质，需要整个反应溶液被加热以维持目标温度（Wu等人，2011；You等人，2023）。这种间接的传热方式效率低下，导致大量能量损失和较低的热利用效率（He等人，2025）。因此，酶催化中的热管理仍然耗能较多，这激发了开发具有改进传热特性的反应器设计的需求，以实现稳定的温度控制并减少能量散发。

已经提出了两种主要的策略来改善热管理：

（1）初始阶段的快速加热。初始阶段的快速加热以及向酶表面的高效热传递对于减少热量损失至关重要，这依赖于高效加热方法和快速传热途径的结合使用。例如，Elimian等人（Elimian等人，2022）使用无机催化剂进行光热催化降解甲苯，在243℃下实现了86.6%的转化率和74.5%的二氧化碳产率。同样，Xiao等人（Xiao等人，2024）开发了一种基于异质结的光热纳米反应器，在光照下90秒内即可达到184℃，展示了快速的热响应和高效的催化性能。在光热系统中，固定在光热材料（如石墨烯（Ao等人，2025b；Gan等人，2014；Wang等人，2018）或MXene（Chen等人，2024；Zeng等人，2024；Zhao等人，2024）上的酶可以在光照下迅速升温，从而减少热量散发。然而，过快的加热可能会导致蛋白质变性并失去酶活性，因此需要平衡光热效率和酶稳定性。

（2）维持阶段的保温。在温度维持阶段，减少热量散发同样重要。在传统反应器中，酶通常分散在流动的水相中（Shi等人，2024；Wang等人，2022），导致催化位点的热量浓度较低。例如，Hao等人（Hao等人，2025）报道了一种基于COF的光热系统，在光照60分钟后，水中的脂肪酶仅使系统温度升高到了55℃，表明热局部化效果不佳。因此，在受限的微环境中局部化酶是一种实用策略，可以在催化界面集中热量并实现局部加热。此外，空间限制限制了底物的扩散（Kang等人，2023；Xiao等人，2025；Yeom等人，2023），从而加速质量传递并增强酶-底物相互作用，提高催化效率。

在之前的研究中，通过直接将酶固定在MXene上组装了一个高效的热传递反应器（He等人，2025）；然而，在加热效率、酶稳定性和热量散发方面仍存在挑战。在这项研究中，通过结合光热转换和纳米级限制策略，开发了一种基于MXene/共价有机框架（MCOF）复合材料的受限膜生物反应器。MXene具有强近红外吸收和高效的光热加热性能，而COF则提供有序的多孔结构用于酶固定和热缓冲，能够在催化界面实现快速而可控的温度调节。通过将MCOF组装成连续膜，形成了一个受限的层间空间，将热量集中在酶周围并抑制热量向水相的扩散。与分散的粉末系统相比，受限膜表现出更优异的保温和传热性能。此外，受限的微环境促进了底物的富集和酶-底物相互作用，从而提高了催化活性和系统的稳定性。该膜生物反应器在连续流动条件下也表现出良好的适应性，凸显了其在高效和可持续酶催化方面的潜力。

部分摘要

实验材料

1,3,5-三(4-氨基苯)苯（TAPB）、2,5-二甲氧基对苯二甲醛（DMTA）、碳化钛铝（Ti3AlC2）、氟化锂（LiF）、碳酸钠（Na2CO3）和戊二醛购自上海阿拉丁试剂有限公司。盐酸（HCl）、乙酸（HAc）和乙腈（ACN）购自国药集团化工试剂有限公司。所有购买的化学品都经过了进一步的纯化处理。

NH2-MXene的制备

MXene是通过选择性Al蚀刻从Ti3AlC2制备的

MCOF反应器和光热催化策略的制备

在这项工作中，通过将MXene与COF结合制备了一种复合支撑的酶催化剂。首先合成了胺功能化的MXene材料（图1a）。用于酶固定的COF涂层采用了Zhang等人（Zhang等人，2023）报道的方法。在初始生长阶段，形成了低晶度的非晶COF（aCOF），提供了具有剩余官能团的介孔位点用于酶装载。TAPB与DMTA之间的反应在表面上生成了aCOF

结论

本研究开发了一种基于MCOF膜的连续流动生物催化反应器，通过结合光热转换和纳米级限制实现了光热催化和节能的温度控制。与传统的水浴加热相比，光热策略将能耗降低了86%，同时保持了高催化性能。在连续流动操作中，受限的MCOF膜在38秒内达到了50℃的操作温度

Buller等人，0000；Van等人，0000。

**何晨曦**：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。**李慧婷**：方法学，形式分析，概念化。**陈嘉英**：可视化，调查。**张振峰**：验证，形式分析。**姚晓辉**：资金获取，形式分析，数据管理。**赵卫国**：资源获取，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的潜在影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了江苏省自然科学基金（BK20231253）、江苏省博士后研究基金（2021K253B）、CARS-18专项基金、国家重点研发计划（2021YFE0111100）、广西创新驱动发展项目（AA19182012-2）以及镇江市科学技术支持项目（GJ2021015）的支持。