近日，2019级硕士研究生龙露在3D 打印催化剂（“催化桨”）领域取得新进展，即采用重组大肠杆菌/金复合纳米材料通过3D打印技术组装为三维网格搅拌桨用于液相溶液中催化还原4-硝基苯酚。相关研究成果以“3D Printing of Recombinant Escherichia coli/Au Nanocomposites as Agitating Paddles towards Robust Catalytic Reduction of 4-Nitrophenol”为题在线发表于《Journal of Hazardous Materials》期刊（IF:10.588）。2018级硕士研究生裴蕊是该论文的共同第一作者。这是课题组第二次在该杂志发表关于3D打印技术的文章（此前已发表了3D打印MOF材料文章：Journal of Hazardous Materials , 2020, 384, 121418，入选ESI热点文章）

 

  3D打印技术作为一种新型制造技术，在催化，环境修复、食品工业、组织工程、生物医学等领域得到广泛应用。对于工业催化剂，3D 打印技术使催化剂组分可以均匀地嵌入具有精细结构的3D整体结构中，使其具备例如高传热和传质速率、易于回收和再循环、操作简单以及增加流体流动通道等优点。另一方面，采用生物模板（细菌）合成金属纳米粒子是一种更方便且经济的方法，并且可以通过基因操作轻松改变特定蛋白质（酶）的过度表达，使金属纳米粒子可均匀合成在细菌上。

 

  在该论文中，我们通过基因工程技术获得重组大肠杆菌（e-E. coli），e-E. coli能够过量表达金属硫蛋白（MT），然后用于合成Au纳米颗粒，增强细菌和金属之间的相互作用。我们也研究了反应温度、细菌浓度和溶液pH值对所得Au纳米颗粒尺寸和形貌的影响。随后，通过3D打印技术将e-E. coli/Au和聚合物混合挤出成整体催化剂。为了促进传质并促进溶液中的湍流，我们将整体催化剂组装成四个动力搅拌桨，用于液相中的4-硝基苯酚 (4-NP) 的催化还原反应。

 

  实验结果表明，合成e-E. coli/Au催化剂的最佳条件为大肠杆菌OD₆₀₀为1.5，pH为2.6，反应温度为37 ℃。通过TEM和EDX表征显示，Au纳米颗粒均匀负载于重组e-E. coli上，3D打印后e-E. coli/Au/聚合物整体催化剂在催化还原4-NP上表现出优异的性能，可在10分钟内快速还原4-NP (体积：400 mL, 浓度：3 mM)，表观反应速率常数k_app高达0.56 min^-1。在放大实验中(体积：1 L, 浓度：5 mM)，3D催化搅拌桨仍然表现出高效和稳健的液相4-NP还原活性。此外，我们所使用3D打印技术制备的“催化桨”可进一步促进了催化剂的易回收性，具备优异的机械性能，并极大增加了反应物质与整体网格之间的传质与扩散。该工作为工业上多相催化剂的制备提供了一种新策略。

 

该研究工作得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126983