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Mechanistic Insight into the Superior Catalytic Activity of Au/Co3O4 Interface in Glucose Sensors

催化作用 化学 电催化剂 离解(化学) 氧化物 氧化钴 火用反应 电极 可逆氢电极 无机化学 化学工程 电化学 物理化学 工作电极 有机化学 工程类
作者
Yun Xie,Guang‐Jie Xia,Weiping Gong,Fanglong Zhu,Zhenting Zhao,Yang‐Gang Wang
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (17): 12956-12969 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03419
摘要

The electrocatalyst on a nonenzymatic electrode is critical to the instant sensing of glucose. Metal/oxide composite catalysts, such as Au/Co3O4, show activity in glucose oxidation on electrodes superior to that of single-component catalysts, but the mechanism is still not clear. In this work, commonly applied gold (Au), cobalt oxide (Co3O4), and their composite (Au/Co3O4) were modeled over the carbon (C) electrode within explicit solvent water molecules to mimic the realistic catalytic condition. Density functional theory (DFT) calculations and ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations were applied to investigate the free energy profiles of the hemiacetal hydroxyl group oxidation on glucose (CHC-OHO + 2OH– → C═O + 2H2O + 2e–). The simulation showed that the dissociation of hydrogen on O (HO) was an acid–base proton transfer process and easy in kinetics. The dissociation of hydrogen on C (HC) was exergonic but suffered from a relatively high free energy barrier, which limits the catalytic activity. By comparing catalysts, the composite Au/Co3O4/C catalyst exhibited a lower overall free energy barrier than those of the single-component Au/C and Co3O4/C. The Bader charge analyses showed that the superior activity of the composite catalyst came from the active electron transfer at the Au/Co3O4 interface, where the Au nanoparticle worked as the positive charge transport station to assist the HC oxidation. These mechanistic insights demonstrate the critical role of the metal/oxide composite interface in promoting catalytic activity on electrodes, which assists in the rational design of glucose sensors.
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