动力学限制的纳米酶催化氧还原反应以接近100%的选择性生成过氧化氢

以下文章来源于纳米酶 Nanozymes ，作者纳米酶 Nanozymes

01 背景介绍

过氧化氢（H2O2）是一种用途广泛的绿色氧化剂，主要用于医疗消毒、废水处理、工业漂白和化学合成等。近年来，利用光催化和电催化的氧还原反应（ORR）直接生成H2O2的研究受到越来越多的关注。然而，受限于H2O2在碱性条件下（电化学工作环境）和光照条件下的不稳定易分解特性，电催化和光催化的ORR方法并不适合大量生产H2O2。与化学工业催化相比，生物体中的酶催化反应（特别是含黄素的酶）可在温和条件下特异性的产生H2O2，因此被广泛应用于生物、医学、检测和环境等领域。考虑到天然酶高昂的成本和易失活的特性，设计具有类黄素依赖性氧化酶活性的酶模拟物具有重要的科学和现实意义。

在这项工作中，作者提出了一种普适且便捷的单原子纳米酶合成方法，成功构筑了氮掺杂的碳负载单原子铑(Rh/NC)、铱(Ir/NC)和钴(Co/NC)纳米酶。在葡萄糖、醇、胺、甲酸、NADH或亚磷酸的存在下，单原子Rh纳米酶表现出类黄素依赖性氧化酶的活性，能够高效且特异地催化O2还原为H2O2。作者进一步研究发现，ORR反应在电化学催化和酶催化中的机理大不相同：即电催化ORR中，电子能够连续不断地从具有较低外加电位的工作电极转移到催化剂上，进而可对O2进行多电子还原；而在酶促ORR中，受限于底物分子脱氢提供2个电子的动力学特性，酶催化位点只能接受2个电子，进而能够进行具有非常高选择性的双电子途径将O2还原为H2O2。

02 单原子纳米酶Rh1/NC的合成与表征

图1. 合成和表征单原子纳米酶Rh1/NC。

图1a为单原子纳米酶Rh1/NC的制备过程。在第一步中，尿素固体在150°C下熔化成液体，然后将聚乙二醇(PEG)和RhCl3添加到尿素液体中搅拌5分钟形成均匀的混合溶液。第二步，将混合溶液倒入坩埚中，在N2气氛下于900℃热解2h。在热解过程中，尿素热聚合成g-C3N4，而PEG在低于650°C的温度下转化为无定形碳。进一步升高温度，g-C3N4分解挥发，得到N掺杂的单原子Rh纳米酶。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，合成的Rh1/NC纳米酶具有褶皱的片状形貌（图1b）。在高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像中没有检测到明显的Rh纳米颗粒（图1c）。高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）与原位能量色散X射线光谱（EDS）元素映射图像显示，Rh、N和C元素均匀分布在纳米片上（图1d)。此外，在像差校正的HAADF-STEM图像中，由于Z对比度较高，原子分布的Rh原子被清楚地识别为高度孤立的亮点（图1e，f）。为进一步研究Rh1/NC中Rh物种的原子分散和配位环境，进行了X射线吸收精细结构光谱（XAFS）测试（图1g）。Rh的K边X射线吸收精细结构(FT-EXAFS)光谱在1.5Å处显示出一个强峰，对应于Rh-N的配位结构。与Rh单质相比，没有观察到代表Rh-Rh结合的峰，进一步表明Rh原子在Rh1/NC催化剂中呈单原子分散。基于DFT模型的Rh1/NC（图1g）的FT-EXAFS拟合表明每个Rh原子与四个N原子配位。Ir1/NC和Co1/NC的FTEXAFS光谱进一步证实了金属原子的唯一存在（图2）。

图2. Ir1/NC，Co1/NC和Rh/C的表征。

03 单原子纳米酶的模拟氧化酶活性

图3. 金属单原子纳米酶的模拟氧化酶活性。

天然黄素酶可以催化各种底物脱氢，同时特异性地将O2还原为H2O2（图3a）。黄素酶催化过程遵循乒乓机制，包含两个单独的半反应：底物脱氢和O2还原。黄素酶的His残基作为Brønsted碱基促进质子的解离，然后FAD将电子和质子从不同的底物转移到O2以产生H2O2（图3b）。研究人员以苯甲醇的有氧氧化为模型反应，探究Rh1/NC的类酶活性。图3c表明Rh1/NC催化苯甲醇反应10 min后，混合溶液中生成H2O2，并且H2O2的产生速率随着pH的增加而加快。这一发现表明苯甲醇氧化过程不依赖于活性氧，O2仅作为电子受体，这与酶催化的乒乓机制类似。研究人员进一步在电极上研究苯甲醇氧化中的脱氢和氧还原步骤（图3d）。值得注意的是，酸性pH不仅有利于H2O2的保存，而且有助于H2O2参与后续的氧化反应。研究人员进一步比较了Rh1/NC、Ir1/NC、Co1/NC单原子纳米酶与商业Pt/C催化剂在相同的测试条件下产生H2O2的能力（图3e），并探究了各种质子供体对H2O2生成效率的影响（图3f）。结果表明，Rh1/NC催化亚磷酸生成过氧化氢的效率最高。

随后，研究人员选择HCOOH和H3PO3作为电子供体，探究了Rh1/NC纳米酶的动力学（图4a）。研究表明H3PO3的Kcat高于HCOOH，表现出更好的H2O2生产效率。值得注意的是，当反应条件的pH值约为3时，H2O2的产生速率达到最大值（图4b）。这是因为HCOOH和H3PO3的pKa值非常低，在酸性条件下可以大量解离。当pH低于3.5时，提高pH有助于-OH基团中的O-H键解离。当pH高于3.5时，大量HCOOH和H3PO3解离会使过量的HCOO-离子、H2PO3-离子和OH-离子吸附在催化剂位点，进而降低反应速率。DFT计算结果表明，Rh1/NC上的H3PO3更容易氧化，两个脱氢步骤的能垒较低（图4d）。在甲酸脱氢过程中，Rh的Hirshfeld-I电荷最初为1.158e，在接下来的S1、TS1、S2、TS2、S3结构分别变为1.169e,1.614e,1.625e,1.367e和1.551e（图4e）。Rh1/NC的电荷密度差异分析也表明，在2H*吸附后，Rh上有明显的电子积累（图4f）。

图4. Rh1/NC催化HCOOH和H2PO3氧化产生H2O2。

04 ORR在酶催化和电催化中生成H2O2的选择性。

在电催化ORR中，电子的供应不受反应的限制，电子能够连续转移到ORR催化剂上（图 5a）。旋转圆盘电极(RRDE)测试结果表明，商用Pt/C具有更高的起始电位和电流，以及显着降低的环形电流（图5b）。通过环电流和圆盘电流计算出Pt/C的H2O2选择性约为2%（图5c），而单原子纳米酶Rh1/NC、Ir1/NC和Co1/NC表现出更高的H2O2选择性。这归因于酶促ORR中，氧还原所需的电子由底物提供，而催化剂的单个催化位点只能催化每个底物分子去除2个电子。因此，后续的O2只能通过典型的双电子途径获得2个电子还原成H2O2（图5d）。随后，研究人员使用NADH有氧氧化作为模型反应来评估H2O2的选择性。结果表明Rh1/NC、Ir1/NC和Co1/NC的H2O2选择性均高于90%（图5e）。对于Pt/C，H2O2选择性比电催化ORR高30倍。

图5. 酶催化和电催化ORR中H2O2生成的选择性。

05 总结

综上，该工作提出了一种使用熔融尿素作为溶剂合成单原子纳米酶的通用方法。实验和理论结果表明，单原子纳米酶可以有效地催化各种底物氧化成目标产物并特异性产生H2O2。由于受到底物脱氢的动力学限制，酶促ORR中商业Pt/C催化的H2O2的选择性可以达到75%，是电催化ORR的30倍。这些结果表明，动力学限制在提高H2O2选择性方面比调节催化剂的固有性质更有效。

该项成果发表在Nature communications上，题为“Kinetically restrained oxygen reduction to hydrogen peroxide with nearly 100% selectivity”。

转自：“NANO学术”微信公众号

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