氧分子的活化与还原:从金属蛋白酶的模拟到燃料电池电催化剂的应用

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21271072
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0702.生物分子的化学生物学
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

The oxygen activation/reduction reaction is one of the most important reactions in both life processes and in energy converting systems such as fuel cells, and it has recently being an extensively studied research area. Biomimetic models which resemble the active site of heme-containing enzymes may provide chemical evidence for the clarification of dioxygen activation mechanisms, and may aid to guide the design of biomimetic oxygen reduction reaction (ORR) catalysts for potential applications as well. This proposal will design and prepare a serial of iron porphyrin or heme-copper complexes as chemical models of the active site of heme-containing enzymes including the terminal enzyme of respiratory chain, cytochrome c oxidase. The O2-binding and activation by these model compounds will be investigated by various spectroscopic and electrochemical methods. The objectives of this proposal will be to further clarify the mechanism of O2-binding and activation catalyzed by cytochrome c oxidase, esp.to demonstrate the key transient intermediates that relating to the O-O bonding cleavage; to provide the spectroscopic evidence of different kinds of one-electron reduced heme-dixoygen adducts relating to the intermediates generated by heme-containing enzymes during their different activation pathways; and to design and optimize the bio-inspired ORR catalysts performance, which to be eventually applied for fuel cells cathode electrocatalysts. The results obtained will further sharpen our understanding of the dioxygen activation mechanisms catalyzed by cytochrome c oxidase as well as heme-containing enzymes in the view point of fundamental research; on the other hand, the developed bio-inspired ORR catalysts represent one of the most hopeful non-precious-metal catalysts for next generation of ORR catalyst for fuel cells.
氧分子的活化还原不管在生命过程中还是在能量转换体系如燃料电池中都是一个非常重要的化学反应过程,也是人们广泛研究的热点课题。用模型化合物来模拟金属蛋白酶活性中心的结构与性能,能为解开金属蛋白酶对小分子氧的活化机理提供化学模型证据,并对氧分子仿生还原催化剂的设计与应用发挥指导性的作用。本项目基于含血红素金属蛋白酶的活性中心结构,设计制备一系列含铁卟啉的模型化合物,通过各种光谱学和电化学方法研究氧分子与模型化合物的键合、还原性质。本研究旨在为血红素蛋白酶及细胞色素c氧化酶对氧分子的活化过程中出现的涉及O-O键断裂的各种难观察到的关键瞬态中间体提供相应的化学模型证据;为燃料电池设计优化新型仿生氧分子还原催化剂。该项目的成功实施将在基础研究方面进一步推动生物大分子对小分子氧的活化还原机理的理解;在应用基础研究方面将扩大仿生氧分子还原催化剂在燃料电池贱金属电催化剂上的进一步应用。

结项摘要

氧分子的活化还原不管在生命过程中还是在能量转换体系如燃料电池中都是一个非常重要的化学反应过程,也是人们广泛研究的热点课题。用模型化合物来模拟金属蛋白酶活性中心的结构与性能,能为解开金属蛋白酶对小分子氧的活化机理提供化学模型证据,并对氧分子仿生还原催化剂的设计与应用发挥指导性的作用。本项目基于含血红素金属蛋白酶和漆酶的催化活性中心结构,设计制备了一系列含铁卟啉和多铜配合物作为仿生氧还原反应催化剂,通过各种光谱学和电化学方法研究了氧分子与模型化合物的键合、活化及还原性质。我们成功地捕获了系列关键的氧分子活化的中间体,这对进一步了解金属蛋白酶活化还原氧分子的机理具有非常重要的意义。另外,我们实现了仿生催化剂在石墨烯和碳纳米管等导电载体上的可控制备,通过合理的分子设计成功地实现了对其催化活性和稳定性的调控,并最终将其应用于燃料电池测试,得到了目前为止唯一一个同时具备高催化活性和高稳定性的新型非贵金属氧还原反应催化剂。本项目为寻找将来可替代贵金属铂基催化剂用于燃料电池中能量转换效率高且稳定性好的非贵金属氧还原反应电催化剂提供了新途径。

项目成果

期刊论文数量(19)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Ruthenium nitrosyl grafted carbon dots as a fluorescence-trackable nanoplatform for visible light-controlled nitric oxide release and targeted intracellular delivery
亚硝酰钌接枝碳点作为荧光可追踪纳米平台,用于可见光控制的一氧化氮释放和靶向细胞内递送
  • DOI:
    10.1016/j.jinorgbio.2016.06.011
  • 发表时间:
    2016-12-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF INORGANIC BIOCHEMISTRY
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Deng, Qiao;Xiang, Hui-Jing;Liu, Jin-Gang
  • 通讯作者:
    Liu, Jin-Gang
Covalent Grafting of Carbon Nanotubes with a Biomimetic Heme Model Compound To Enhance Oxygen Reduction Reactions
碳纳米管与仿生血红素模型化合物的共价接枝以增强氧还原反应
  • DOI:
    10.1002/anie.201403133
  • 发表时间:
    2014-06-01
  • 期刊:
    ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Wei, Ping-Jie;Yu, Guo-Qiang;Liu, Jin-Gang
  • 通讯作者:
    Liu, Jin-Gang
Photo-reduction of CO2 Using a Rhenium Complex Covalently Supported on a Graphene/TiO2 Composite
使用共价负载在石墨烯/TiO2 复合材料上的铼络合物光还原 CO2
  • DOI:
    10.1002/cssc.201600360
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    ChemSusChem (2016), 9(13), 1698-1703.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Cui shi-cong;Sun Xue-Zhong;Liu Jin-Gang
  • 通讯作者:
    Liu Jin-Gang
Transition-Metal Nitrosyls for Photocontrolled Nitric Oxide Delivery
用于光控一氧化氮传递的过渡金属亚硝酰基
  • DOI:
    10.1002/ejic.201601135
  • 发表时间:
    2017-03-27
  • 期刊:
    EUROPEAN JOURNAL OF INORGANIC CHEMISTRY
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Xiang, Hui-Jing;Guo, Min;Liu, Jin-Gang
  • 通讯作者:
    Liu, Jin-Gang
A Heterojunction Cu2O/N–TiO2Photocatalyst for Highly Efficient Visible Light-Driven Hydrogen Production
用于高效可见光驱动制氢的异质结 Cu2O/N-TiO2 光催化剂
  • DOI:
    10.1007/s10562-016-1790-x
  • 发表时间:
    2016-06
  • 期刊:
    Catalysis Letters
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Liu Xiang-Yu;Wei Wen-Dong;Cui Shi-Cong;Liu Jin-Gang
  • 通讯作者:
    Liu Jin-Gang

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可释放一氧化氮纳米材料的研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Acta Physico - Chimica Sinica
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    向慧静;刘劲刚;赵彦利
  • 通讯作者:
    赵彦利

其他文献

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一氧化氮的靶向投递与光控释放
  • 批准号:
    21571062
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  • 项目类别:
    面上项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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