东南大学顾宁院士
张宇教授
马明副研究员
《自然·通讯》
纳米酶催化机制研究再获突破
Fe3O4 NPs作为最早被发现的纳米酶，现阶段对其类过氧化物酶（POD）催化机制的详细研究仍较为缺乏。目前普遍认为由颗粒表面的Fe2+触发的类芬顿反应（公式1和2）是其具有类POD活性的重要原因。可以注意到，公式2的反应速率常数远小于公式1，也就是说当颗粒表面的Fe2+参与反应被氧化为Fe3+后很难自发恢复。这种几乎不可逆的表面活性位点的氧化促使我们思考：如果纳米酶只有表面的活性原子在类酶催化中发挥作用，那么这些活性位点经历长时间反应后是否会被耗尽，从而导致纳米酶活性减低？
图1. 假设仅有Fe3O4纳米酶表面的活性位点（Fe2+）参与类POD催化反应。
文章主要内容
1. 颗粒内部Fe2+也会参与Fe3O4纳米酶的类POD催化反应
为回答上述问题，作者将Fe3O4纳米酶投入类POD循环催化反应体系（图2a），使其持续发挥5轮，每轮20 h的催化作用，对回收颗粒的理化性质进行了表征。比活力（anano）测量结果显示尽管Fe3O4纳米酶的催化能力随循环催化天数的增加而不断降低，但其可在长达100 h内持续发挥催化作用（图2b）。为探究原因，作者接着利用多种表征技术对回收颗粒的氧化状态和化学组分进行分析。首先，与循环催化前相比，循环催化5天后回收颗粒的电子能量损失谱（EELS）中FeL2,3的峰值向高能量损失方向偏移约1.4 eV，且FeL3/L2峰面积比值从4.7增加6.1，表明催化后颗粒表面Fe的氧化态增加。XPS Fe 2p轨道的价态分峰拟合结果显示回收颗粒内部Fe2+的含量随循环催化时间的增加而不断降低，Fe3+含量则不断增加，直到第5天Fe2+的含量降至为零（图2d），该结果提示不仅颗粒表面的Fe2+参与类POD反应被消耗，颗粒内部的Fe2+同样被氧化为Fe3+。FeL边NEXAFS谱和Raman光谱结果显示，Fe3O4纳米酶在参与长时间类POD催化反应时，会逐渐相转变为γ-Fe2O3（图2e和2f），且这种转变并不影响颗粒的尺寸、形貌和晶格结构（图2g）。
图2. Fe3O4纳米酶循环催化实验研究。（a）循环催化类POD反应实验设计示意图；（b）Fe3O4NPs的anano值随循环催化反应时间的动力学研究；（c）比较Fe3O4NPs循环催化5天前后FeL2,3的EELS图像；（d）循环催化第0、1、3、5天后，回收颗粒的XPS Fe 2p图谱及Fe元素的价态分峰拟合；（e）比较Fe3O4NPs循环催化5天前后FeL-edge的NEXAFS图像；（f）循环催化第0、1、3、5天后，回收颗粒的Raman光谱对比；（g）Fe3O4NPs循环催化前后的TEM照片、高分辨TEM和选区电子衍射图。
由上述结果可得出结论：颗粒内部Fe2+的参与是Fe3O4纳米酶具有持续催化能力的重要原因（图3）。也就是说，当颗粒表面的Fe2+由于类芬顿反应被氧化为Fe3+后，内部相邻的Fe2+会通过晶格中的Fe2+-O-Fe3+链不断向外传递电子，以维持颗粒表面Fe原子的催化活性。然而，这种“电子补充”过程不是无限发生的，当颗粒内部的Fe2+被逐渐氧化为Fe3+时，Fe3O4会逐渐相转变为γ-Fe2O3，伴随着“电子补充”能力的削弱或丧失，进而导致类POD催化活性的降低或失活。
图3. Fe3O4 NPs内部Fe2+将自身电子传递到颗粒表面，恢复表面的催化活性，维持颗粒的类POD催化能力。
作者认为上文阐述的由于催化类POD反应诱导的Fe3O4纳米酶的氧化过程类似于磁铁矿的低温（< 200 °C）氧化。当磁铁矿单位晶胞中的8个Fe2+被氧化为Fe3+时，会释放8个e-，导致晶格内部电荷失衡。为维持电中性，2.67个多余的Fe3+需要向晶格表面迁移，迁移速率依赖于晶格缺陷程度。作为验证，作者研究了具有不同晶格缺陷程度的Fe3O4纳米酶的空气氧化动力学，结果显示与高温热分解制备的具有较少晶格缺陷的Fe3O4纳米酶相比，化学共沉淀法制备的Fe3O4纳米酶由于具有较多的晶格缺陷而有利于颗粒内部的电子转移和离子的迁移，从而加速Fe3O4的氧化进程（图4a和4b）。类似于空气氧化反应，快速的电子/离子迁移同样有利于Fe3O4纳米酶的类POD催化反应，区别在于电子受体不同，前者为O2，后者为H2O2（图4c）。
图4. （a）化学共沉淀法和（b）高温热分解法制备的Fe3O4纳米酶的UV-Vis吸收光谱随空气氧化时间的变化。（c）不同方法制备的Fe3O4NPs的anano值随空气氧化时间的变化。
综合上述实验结果，可将Fe3O4纳米酶类POD催化机制总结如图5所示：①颗粒表面的类芬顿反应。首先，H2O2接受颗粒表面Fe2+的电子，解离成高活性的·OH来氧化底物，同时，表面的Fe2+被氧化成Fe3+；②内部电子转移。然后，颗粒内部相邻的Fe2+通过Fe2+-O-Fe3+链将自身电子传递给表面Fe3+，使表面Fe2+再生，为反应的持续进行提供动力；③多余Fe离子向外迁移。随着内部Fe2+的原位氧化，为了保持电中性，晶格中多余的Fe3+向表面迁移，留下阳离子空位；④化学组分发生变化。随着反应的持续进行，Fe3O4NPs会发生自外向内的氧化，最终相转变为γ-Fe2O3NPs。这种由类POD催化反应触发的Fe3O4NPs的氧化过程类似于传统磁铁矿的低温空气氧化，其中Fe3+迁移为限速步骤。
4. 磷酸铁锂（LiFePO4）纳米颗粒作为典型的机制验证模型
作者利用LiFePO4作为典型的模型材料进一步验证了上述提出的催化机制。LiFePO4是一种常用的锂离子电池正极材料，具有橄榄石结构。它在充放电过程中发生Fe离子的氧化还原反应，同时伴随着Li离子在晶格中的脱出和嵌入，但并不改变其原有的橄榄石结构（图6a）。作者认为LiFePO4的充电过程可与Fe3O4的氧化过程相类比，因为二者均涉及Fe2+的氧化和内部离子的迁移。不同的是，LiFePO4 NPs晶格中快速迁移的Li+赋予其更优异的催化性能（图6b和6c）。
图6. （a）LiFePO4和FePO4的晶格结构示意图。Li离子的嵌入和迁出不影响其橄榄石结构。（b）LiFePO4NPs和Fe3O4NPs的anano值对比。（c）LiFePO4NPs和Fe3O4NPs类POD催化反应过程示意图。
总 结
1.Fe3O4纳米酶在催化类POD反应过程中不可逆拓扑转化为γ-Fe2O3纳米酶，类似磁铁矿的空气氧化过程，指出Fe3O4纳米酶是可消耗的；
2.Fe3O4纳米酶的类POD催化过程伴随着电子向表面转移与多余Fe3+的表面迁移，其中后者为限速步骤；
3.作为一个典型的机制验证模型，LiFePO4纳米颗粒由于Li+的快速迁移能力而具有更强的类POD酶活性；
4.该工作揭示了不仅表面原子及类芬顿反应贡献Fe3O4纳米酶类POD催化，而且内部原子通过电子转移与离子迁移贡献类酶催化。
上述研究成果以“Depletable peroxidase-like activity of Fe3O4 nanozymes accompanied with separate migration of electrons and iron ions”为题于2022年09月12日在线发表在《Nature Communications》上。该论文第一单位为东南大学，张宇教授、顾宁教授、马明副教授为该论文的通讯作者；博士研究生董海姣为该论文的第一作者。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33098-y