钙钛矿纳米晶体生长方法，晶种催化生长法合成金属片基纳米材料

钙钛矿纳米晶体生长方法，晶种催化生长法合成金属片基纳米材料图1. 一锅制备PtRh/Rh及其模拟氧化物酶催化的示意图基于前期金属颗粒(PtCo[11]和PtAg[12])、Rh片[13]及负载型Pd颗粒[14]的制备与模拟酶催化研究 杨蓉课题组最近提出了一种晶种生长法，通过一锅合成体系简易而有效地制得了PtRh颗粒包覆的Rh片[15]。合成时，将前驱体(H2PtCl6·6H2O和Rh(acac)3)、表面活性剂(聚乙烯吡咯烷酮 (PVP))、还原剂/成核抑制剂(甲醛)全部溶于苄醇后加热进行反应。通过改变金属投料比，可控制合成出不同组成的材料。进一步，以氧化物酶为模拟对象，以3 3’ 5 5’-四甲基联苯胺(TMB)为模型酶底物，测试了材料在空气氛下对TMB氧化的催化能力(图1)。纳米酶(nanozymes)的发现[1]，开启了人工模拟酶研究的新篇章。自此，一类长期被人们认为生物惰性的无机纳米材料，其类似天然酶催化的性质开始被广泛研究。其中，报道

*今日头条上无法显示上标、下标，欲获得更好的阅读体验请前往微信公众号。

*前往“纳米酶Nanozymes”公众号，了解有关纳米酶的最新消息！

*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2021年1月5日

*编辑：俞纪元

纳米酶(nanozymes)的发现[1]，开启了人工模拟酶研究的新篇章。自此，一类长期被人们认为生物惰性的无机纳米材料，其类似天然酶催化的性质开始被广泛研究。其中，报道集中于各种零维结构的颗粒，尤其是贵金属纳米粒子，因其易于制备、稳定性好、活性可调节等优势，作为模拟酶被应用于很多生物医学领域，包括临床诊断、免疫治疗、生化分析等，展现出了广阔的前景[2-4]。然而，与天然酶相比，其催化活性并不高效，限制了在后续应用上更好的发挥。因此，如何设计开发新结构、高活性的纳米酶，已成为当前该领域一个十分重要的课题。

二维材料(two-dimensional materials)，有着类似片层的结构和独特的理化性质，在催化领域受到了极大的关注。二维片层结构有着较大的比表面积，而表面暴露的大量不饱和配位原子赋予其独特的表面化学性质，本身就是一种很好的催化剂，因此有望成为一类新型的多功能纳米酶。近年来，国家纳米科学中心杨蓉研究员课题组基于各种纳米片载体，采用化学/物理的方法，构建了多种二维材料担载零维颗粒的复合纳米结构。如，IrO2颗粒包覆的石墨烯氧化物纳米片[5]，Pt颗粒修饰的CuO纳米片[6]，PtAg或PtCu或PtAu颗粒包覆的MoS2纳米片[7-9]及Au颗粒修饰的Pd片[10]。由于载体-颗粒的协同效应，复合材料表现出更强的酶活性和稳定性，从而实现高灵敏度、高选择性地比色检测葡萄糖、抗坏血酸、癌细胞等。

然而，制备负载型材料，通常需要两个步骤：(1)预备载体和/或纳米颗粒；(2)通过各种手段(原位还原、物理吸附等)将颗粒固定在载体上。为便于载体-颗粒之间的接触，往往还需要进行表面修饰。以制备上述PtAg颗粒包覆的MoS2片[7]为例子，首先通过H2SO4插层、超声剥离制得MoS2片，再修饰聚烯丙胺盐酸盐，最后在MoS2片表面通过水热合成法生长出PtAg颗粒。又以制备上述Au颗粒包覆的Pd片[10]为例子，首先采用湿化学合成法制备出Pd片，再通过Au3 离子对Pd原子的Galvanic取代过程，将Au颗粒铆定在Pd片上。可见，这些传统的制法一般步骤较长，程序繁琐、耗时，成本也较高。如能通过一锅合成体系，同时自发形成颗粒与载体，并使颗粒固定在载体上，无疑将大大简化制备过程。然而，由于一锅体系往往蕴含多步骤反应，各反应中间体也可能此消彼长，因而材料的形成机理往往比较复杂，使其结构设计与可控合成极具挑战性。

基于前期金属颗粒(PtCo[11]和PtAg[12])、Rh片[13]及负载型Pd颗粒[14]的制备与模拟酶催化研究 杨蓉课题组最近提出了一种晶种生长法，通过一锅合成体系简易而有效地制得了PtRh颗粒包覆的Rh片[15]。合成时，将前驱体(H2PtCl6·6H2O和Rh(acac)3)、表面活性剂(聚乙烯吡咯烷酮 (PVP))、还原剂/成核抑制剂(甲醛)全部溶于苄醇后加热进行反应。通过改变金属投料比，可控制合成出不同组成的材料。进一步，以氧化物酶为模拟对象，以3 3’ 5 5’-四甲基联苯胺(TMB)为模型酶底物，测试了材料在空气氛下对TMB氧化的催化能力(图1)。

图1. 一锅制备PtRh/Rh及其模拟氧化物酶催化的示意图

01

结构表征

以Pt/Rh投料比为0.218为例，在产物的透射电镜照片(图2A)中，可见大量纳米片及其载有的颗粒，而扫描电镜结果(图2B)也证明了其超薄的片层结构。

图2. (A) TEM图和(B) SEM图

图3A-E更清楚地表明了Rh片为梯形，大量颗粒均匀分散在片上；图3F显示产物含有Pt、Rh两元素；图3G暗示颗粒可能为合金结构；而图3H和3I揭示材料表面存在零价金属。

图3. (A) TEM图片 (B) STEM图片 (C-E) Rh、Pt元素和元素叠加图 (F) EDX图 (G) XRD图 (H) Rh和(I) Pt的XPS图. 标尺为100 nm

为进一步求证颗粒的合金结构，随机选择一片纳米片，细致表征其边缘与中心区域。从图4A-4C可以分辨出大量结晶性良好、带有0.222 nm晶格间距的颗粒，介于Pt(111)和Rh(111)晶格间距，表明颗粒为合金。通过高分辨元素图像证实了颗粒的合金结构。图4D显示了纳米片的暗场图；选定一个蓝色区域进行分析，从图4E和4F可见，Pt和Rh元素均匀分布于每个颗粒中，再次证实了其合金结构。同时，由于Rh片基底的存在，Rh元素图上颗粒尺寸稍显大。

图4. 分别位于(A)临近边缘和(B)临近片中心的HRTEM照片 (C)放大的HRTEM照片 (D) HAADF-STEM图片 (E)Pt和(F)Rh的元素图

组成上，EDX测定结果表明产物中Pt/Rh含量比为0.219，与投料比接近。随机选定片层边缘颗粒(图5A)，EDX分析结果表明其含有Pt、Rh元素(图5B)，又一次证明其合金的结构。为进一步测定片上颗粒的组成，避免Rh片背底的干扰，随机选定游离的颗粒(图5C)，图5D表明其Pt/Rh含量比约为1:2。上述结果表明，Rh片负载的PtRh合金颗粒确实被成功合成。

图5. (A C) STEM照片; (B) EDX线扫描图; (D) EDX点扫描图

02

形成机理

材料独特结构的形成，可能源于不同寻常的机理。在一系列控制试验中，课题组系统地考察了各因素(前驱体、还原剂/成核抑制剂、表面活性剂、溶剂、温度)对产物形貌、尺寸、组成等影响。要点小结如下：(1)前驱体之间需有电势差；(2)需有成核抑制剂；(3)溶剂还原能力与粘度需适中；(4)表面活性剂分子需有合适的官能团。

探测不同时间下中间体中金属含量的变化，在反应初始阶段，发现Pt含量(图6A)明显高于Rh含量(图6B)，表明Pt优先被还原。同时，对照合成单一Rh片时各时间点下中间体的Rh含量，发现形成复合材料的中间体中，相应的Rh含量得到了显著的提高(图6B)，说明在生长过程中金属种之间存在相互作用，即：优先生成的Pt晶种催化了Rh生长。

图6. 产物中(A) Pt和(B) Rh含量(蓝线为单纯Rh片)随时间的变化曲线

为进一步理解还原过程中金属之间的相互作用，课题组还详细考察了中间体形貌-时间的关系(图7)，其结果揭示了材料形成过程：Pt原子/团簇优先被还原，其作为晶种诱导部分Rh前驱体还原形成PtRh颗粒，接着剩余的Rh前驱体吸附在颗粒周围，通过还原、组装成Rh片，从而固定PtRh颗粒。作为对照，研究人员采用传统两步法，即通过控制试验预先制备出Pt颗粒，再加入Rh前驱体继续反应，最终得到了类似的复合纳米结构，从而证实了形成机理的正确性。

图7. (A) Rh片和(B) PtRh/Rh合成过程中不同时间(自左向右 依次为1 10 30 120分钟)下中间体的透射电镜图; (C) 可能的形成机理

03

催化性能测试

载体-金属强相互作用(support-metal strong interaction SMSI)，通常赋予负载型金属催化剂增强的性能。在随后的酶催化测试中，材料表现出高效的氧活化能力，比单一的载体和颗粒表现出了增强的类似氧化物酶活性(图8)。

图8. (A)TMB氧化反应式 (B-C)反应溶液颜色变化及其相应的紫外光谱(a-f分别为仅有TMB、仅有材料、Rh片 TMB、Pt颗粒 TMB、复合材料 TMB) 以及采用(D) Michaelis−Menten模型与(E) Lineweaver−Burk模型下的TMB氧化反应动力学图

另一个优点在于，PtRh颗粒包覆Rh片后，增强了材料的可回用性，回用后其仍保持原有形貌、颗粒尺寸，具有良好的稳定性，元素分布也无明显变化(图9)。从而克服了纳米颗粒的一个固有的缺陷，即其巨大的表面能使得颗粒易于团聚而失活，也避免了单独纳米片再堆积现象的发生。

图9. 回收材料的表征: (A) TEM图 (B)高分辨TEM图 (C) 放大的高分辨TEM图 (D) STEM图 (E) Pt和(F) Rh元素图

此外，材料还有较好的热稳定性和长期稳定性(图10)，表现出替代氧化物酶应用的潜力。

图10. (A) 热稳定性与(B) 长期稳定性测试结果

04

催化机理

为深入研究机理，课题组接着考察了pH、温度、催化剂用量及气体氛围对催化活性的影响(图11A-D)。研究表明反应中存在两种重要的活性氧种：超氧阴离子及其质子化的超氧阴离子(图11E)，并且材料在催化过程中也表现出快速的电子转移能力(图11F)。

图11. (A) pH (B) 温度 (C) 催化剂浓度及(D) 气体氛对TMB氧化的影响 (E) 反应中间体与DMPO捕捉剂加成物的ESR信号及其模拟图 (F) 细胞色素C氧化的紫外光谱

小结：针对二维纳米酶制备中存在的一些关键问题，杨蓉课题组提出一种晶种催化生长法，一锅合成出了零维/二维的金属片基纳米复合结构，同时自发实现金属颗粒、载体的形成以及颗粒在载体上的固定过程。由于Rh片与PtRh颗粒的协同效应，该二维纳米材料表现出了出色的类氧化物酶活性与优异的稳定性。该研究提供了一种基于二维金属材料发展高效纳米酶的新方法。相关结果发表于Frontiers in Chemistry。

参 考 文 献

[1] Gao L. Z.; Zhuang J.; Nie L.; Zhang J. B.; Zhang Y.; Gu N.; Wang T. H. Feng J.; Yang D. L.; Perrett S.; Yan X. Y. Intrinsic Peroxidase-Like Activity of Ferromagnetic Nanoparticles. Nat. Nanotechnol. 2007 2 577-583.

[2] Wei H.; Wang E. K. Nanomaterials with Enzyme-Like Characteristics (Nanozymes): next-Generation Artificial Enzymes. Chem. Rev. 2013 42 6060-6093.

[3] Huang Y. Y.; Ren J. S.; Qu X. G. Nanozymes: Classification Catalytic Mechanisms Activity Regulation and Applications. Chem. Rev. 2019 119 4357-4412.

[4] Cai S. F.; Yang R. Noble Metal-Based Nanozymes in: Yan X. Y. (eds) Nanozymology. Nanostructure Science and Technology. Springer Singapore. 2020 331-365.

[5] Sun H. Y.; Liu X. L.; Wang X. H.; Han Q. S.; Qi C.; Li Y. M.; Wang C.; Chen Y. X.; Yang R. Colorimetric Determination of Ascorbic Acid Using a Polyallylamine-Stabilized IrO2/Graphene Oxide Nanozyme as a Peroxidase Mimic. Microchim. Acta. 2020 187 110.

[6] Wang X. H.; Han Q. S.; Cai S. F.; Wang T.; Yang R.; Wang C. Excellent Peroxidase Mimicking Property of CuO/Pt Nanocomposites and Their Application as an Ascorbic Acid Sensor. Analyst. 2017 142 2500-2506.

[7] Cai S. F.; Han Q. S.; Qi C.; Lian Z.; Jia X. H.; Yang R.; Wang C. Pt74Ag26 Nanoparticle-Decorated Ultrathin MoS2 Nanosheets as Novel Peroxidase Mimics for Highly Selective Colorimetric Detection of H2O2 and Glucose. Nanoscale. 2016 8 3685-3693.

[8] Qi C.; Cai S. F.; Wang X. H.; Li J. Y.; Lian Z.; Sun S. S.; Yang R.; Wang C. Enhanced Oxidase/Peroxidase-Like Activities of Aptamer Conjugated MoS2/PtCu Nanocomposites and Their Biosensing Application. RSC Adv. 2016 6 54949-54955.

[9] Cai S. F.; Han Q. S.; Qi C.; Wang X. H.; Wang T.; Jia X. H.; Yang R.; Wang C. MoS2-Pt3Au1 Nanocomposites with Enhanced Peroxidase-Like Activities for Selective Colorimetric Detection of Phenol. Chin. J. Chem. 2017 35 605-612.

[10] Cai S. F.; Fu Z.; Xiao W.; Xiong Y. L.; Wang C.; Yang R. Zero-Dimensional/Two-Dimensional AuxPd100-x Nanocomposites with Enhanced Nanozyme Catalysis for Sensitive Glucose Detection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020 12 11616-11624.

[11] Cai S. F.; Qi C.; Li Y. D.; Han Q. S.; Yang R.; Wang C. PtCo Bimetallic Nanoparticles with High Oxidase-Like Catalytic Activity and Their Applications for Magnetic-Enhanced Colorimetric Biosensing. J. Mater. Chem. B. 2016 4 1869-1877.

[12] Cai S. F.; Jia X. H.; Han Q. S.; Yan X. Y.; Yang R.; Wang C. Porous Pt/Ag Nanoparticles with Excellent Multifunctional Enzyme Mimic Activities and Antibacterial Effects. Nano Res. 2017 10 2056-2069.

[13] Cai S. F.; Xiao W.; Duan H. H.; Liang X. X.; Wang C. Yang R. Single-Layer Rh Nanosheets with Ultrahigh Peroxidase-Like Activity for Colorimetric Biosensing. Nano Res. 2018 11 6304-6315.

[14] Cai S. F.; Liu X. L.; Han Q. S.; Qi C.; Yang R.; Wang C. A Novel Strategy to Construct Supported Pd Nanocomposites with Synergistically Enhanced Catalytic Performance. Nano Res. 2018 11 3272-3281.

[15] Cai S. F.; Lian C.; Duan H. H.; Xiao W.; Han Q. S.; Qi C.; Wang C.; Yang R. Facile Strategy to Prepare Rh Nanosheet-Supported PtRh Nanoparticles with Synergistically Enhanced Catalysis in Oxidation. Chem. Mater. 2019 31 808-818.

撰稿：蔡双飞

校审：武江洁星、马浩辰

编辑：徐庚辰