Single‐Atom Catalysts with Ultrahigh Catalase‐Like Activity Through Electron Filling and Orbital Energy Regulation

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作者
Zhiwei Wang,Wenlong Wang,Jin Wang,Dingsheng Wang,Milan Liu,Qian-Yuan Wu,Hong‐Ying Hu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (2) 被引量:51
标识
DOI:10.1002/adfm.202209560
摘要

Abstract Developing nanomaterials with high H 2 O 2 ‐decomposition capacity to replace traditional biological enzymes is of great importance in environmental, semiconductor, and medical fields. However, a lack of understanding of the reaction mechanism leads to aimless catalyst design and limits further improvement of catalytic activity. Here, the regulatory mechanism based on the electron filling and orbital energies of the metal active centers is demonstrated and a rational catalyst design strategy is provided to achieve ultrahigh H 2 O 2 ‐decomposition activity. Among the five platinum‐group‐metal active centers investigated in this study, the Ir–N 4 with partially occupied d x2−y2 and d xz orbitals and the highest d ‐band center most strongly interacts with H 2 O 2 , and show the lowest energy barrier for H 2 O 2 decomposition. As expected, the single‐atom Ir catalyst (Ir‐NC) shows an ultrahigh H 2 O 2 ‐decomposition capacity, which is 1614‐times higher than that of natural catalase. Surface‐adsorbed atomic oxygen is observed and verified to be the key intermediate for O 2 generation. Biocompatible Ir‐NC is effective in scavenging intracellular reactive oxygen species and holds great potential for clinical therapeutics associated with oxidative stress. This study advances the mechanistic understanding of H 2 O 2 decomposition and provides useful guidance for rational design of high‐performance artificial nanozymes.
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