多肽分子诱导铂纳米颗粒一维组装的界面化学机制与应用

Ordered assembly of noble metal nanoparticles mediated by peptides is an environmental benign route for the fabrication of functional nanomaterials. We will study the adsorption of peptides on platinum surface and try to elucidate the interaction mechanism between peptide and metal surface at a molecular level. With the information of the key amino acids determining the interaction with Pt surface, we will synthesize new peptides used as the template for nanoparticle assembly through de novo design. The self-assembly of new designed peptides will be studied through transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), small angle neutron scattering (SANS) and circular dichroism (CD). The effects of platinum ions on peptide self-assembly and the interaction between platinum ions and peptide assemblies will also be studied. Platinum nanoparticle will be assembled in situ with the one dimensional peptide soft template during reduction. And the effects of reduction agent, pH, platinum salt type and concentration, aging time will also be studied to determine the key factor in platinum epitaxial growth. The morphology and structure of platinum 1D assemblies will be tuned with inorganic binding peptides which recognize and adsorb on the platinum surface specifically. The catalytic activities on oxygen reduction reaction, methanol and formic acid oxidation reaction will be determined using an electrochemical workstation. We hope that the project would broaden the application fields of peptide self-assembly and provide valuable information and methodology for the development of peptide based functional nanomaterials.

贵金属纳米颗粒的有序组装是实现其功能化的重要途径，多肽分子诱导组装是一条环境友好的路线。本项目首先剖析多肽分子在铂表面吸附行为，从分子层次上阐明多肽与金属表面作用的机理。在此基础上，提取其中的关键氨基酸，重新设计、合成模板剂多肽分子；通过透射电镜、原子力显微镜、小角中子散射、圆二色光谱等手段研究所设计多肽分子的自组装行为，特别是铂前驱体离子对自组装的影响以及与组装体的相互作用。以合适的多肽一维组装体为模板，结合还原剂种类、pH、前驱体浓度、陈化时间等条件控制铂的外延取向性生长，实现铂纳米颗粒一维原位有序组装。同时利用无机结合肽与多肽组装体模板的协同作用，调控一维铂纳米组装结构的形貌和性能。通过电化学工作站研究其对氧还原、甲醇和甲酸氧化的电催化活性。通过该项目的研究，我们希望能够拓展肽自组装技术在纳米催化材料领域的应用，为多肽纳米功能材料开发提供方法学上的指导与借鉴。

项目设计了两种类型的短肽模板剂分子并研究了其自组装行为，以短肽组装体模板调控了铂纳米颗粒的合成和一维组装，评价了所合成铂一维纳米结构的电催化性能。研究结果对认识两亲肽和发夹肽自组装机理、酪氨酸氧化行为在电催化活性中的作用、贵金属纳米颗粒的形貌调控机理和组装策略都有一定的科学意义，所构建的合成策略在铂贵金属纳米催化材料的合成中具有一定的应用前景。.完成的主要研究工作如下：.以两亲性短肽一维组装体为模板，原位合成了铂一维纳米结构，同时考察了合成条件、前驱体类型、还原剂种类等因素对铂纳米结构催化性能的影响，二维片层材料复合对Pt/I3K纳米结构催化活性的影响。结果表明：一维Pt纳米纤维的直径随着I3K浓度的降低而增加，模板上聚集的Pt纳米颗粒数量和融合度增加，从而增强一维Pt纳米纤维的导电性，增强了催化活性和稳定性。组装体的结构和催化活性受模板剂和还原剂种类影响，但铂前驱体种类没有明显影响。二维片层结构的引入能够在一定程度上改变催化稳定性。.研究了β发夹肽CBHH与铂盐离子的相互作用，以二者配合物为前驱体还原合成了铂一维结构，并评价了其催化活性。铂盐离子可诱导CBHH由无规卷曲向β-折叠结构转变，进而组装成纳米纤维。通过不同还原剂改变铂还原的动力学过程，可以得到不同长径比和聚集状态的高催化活性一维铂纳米线。.在短肽中引入酪氨酸残基，并与RGO复合后得到的铂纳米结构RGO/I3KY/Pt具有较好的一维形貌以及电催化活性，并且具有很好的催化稳定性。在氧化还原峰上较大的峰电流，具有良好的氧还原能力。并且I3KY经氧化后合成的I3KY/Pt组装体催化稳定性基本没有改变。.以特异性识别铂晶面的无机结合肽BP7A分子作为调控剂，加入少量BP7A时，I3K诱导的一维Pt纳米纤维结构形成表面光滑、颗粒融合为单根线状的Pt纳米纤维结构，并且其ECSA高于相同浓度比下的一维Pt纳米纤维。