Nat. Chem. ：單納米催化劑內部和之間的協同效應

【引言】

酶通常顯示聯合催化，其中發生在不同位點的反應，以長達幾納米的距離相互協作。盡管這些納米催化劑可以進行重構，分子可以在催化劑表面上擴散，但是這種效應是否可以發生在非生物納米催化劑上尚不清楚。

【成果簡介】

近日，在美國康內爾大學陳鵬教授（通訊作者）課題組的帶領下，與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所、德國海德堡生物醫學X創新中心和廈門大學合作，采用單分子熒光定位顯微鏡進行時空分辨，分析單個納米催化劑內不同位置發生的時間上后續反應之間的相關性。團隊發現在單個Pd或Au納米催化劑上的催化反應可以通過催化劑表面上帶正電的空穴的跳躍，超過?10²納米，并具有時間記憶?10¹至10²秒，在其表面活性位點之間產生積極的協同作用。顆粒內催化通信通過獨特的機制運作，涉及帶正電的信使，可能通過跳躍定位在金屬氧化物物質上的表面孔。相關成果以題為“Cooperative communication within and between single nanocatalysts”發表在了Nat. Chem.上。

【圖文導讀】

圖1 單個納米催化劑上的催化反應

a，包封在介孔二氧化硅中的Pd納米棒、Au納米棒和Au納米片的TEM圖像；

b，三種熒光Pd或Au納米顆粒催化的反應。S?來自刃天青歧化反應的單電子氧化中性自由基物種；

c，mSiO₂涂覆的Pd納米棒的SEM圖像；

d，c中的Pd納米棒的252nm²單元中> 6000個熒光產物分子的二維直方圖，映射到其SEM結構輪廓（綠線）上。黃線將納米棒解剖成約100nm的片段。 Δx_ij，分段i和j之間的中心到中心的距離；

e，來自段d中的段i和j的催化事件序列。在每個序列中，單個產品生成事件（垂直線）與檢測到它們的時間相對應。每一代產品的微觀反應時間τ是相同序列中與前一次產品分離的時間。從段i到段j的時間上隨后的反應對通過紅色箭頭連接，每對具有時間間隔Δt_ij。

圖2 單Pd和Au納米催化劑內的顆粒內催化通信

a，b，對于催化光誘導刃天青歧化反應的Pd納米棒：Pearson互相關系數ρ_τi,τj（Δx_ij，Δt_ij）相對粒子間距離間隔Δx_ij（a）或平均時間間隔Δt_ijˉ；b）在同一個納米棒（紅色符號）上的兩個不同段處的時間上隨后的反應，以及催化事件（藍色符號）的空間（a）或時間（b）隨機化之后，以及當Δt_ijˉ或Δx_ij被約束時（綠色符號）；

c，x₀^intra和t₀^intra相對反應物刃天青的濃度；?

d-f，與a-c相同，是Au納米棒催化紅色脫乙酰化作用。來自> 220個Au納米棒的> 1100個數據段的平均數據。

圖3 粒子間催化通信的非普遍性

a，b，用于催化刃天青歧化反應的Pd納米棒。 Pearson的互相關系數ρ_τi,τj（Δx_ij，Δt_ijˉ）相對粒子間距離間隔Δx_ij（a）或平均時間間隔Δt_ijˉ（b）在兩個不同的納米催化劑（紅色符號）和時空隨機化（藍色符號）之后的時間上的后續反應；

c，d，與a，b相同，是Au納米棒催化紅色脫乙酰化作用。

圖4 Pd納米棒催化刃天青歧化反應的粒子內催化劑的性質

圖5 Au納米棒催化脫乙酰反應的粒子間催化通信機理

【小結】

在各個納米催化劑之間觀察到類似酶的通信，然而它通過涉及負電荷產物分子的分子擴散機制進行操作，并且其通信距離為數微米。這些長程的粒子內和粒子間催化通信機制的推廣可能會引入一個新的理解納米級催化的概念框架。

文獻鏈接：Cooperative communication within and between single nanocatalysts（Nat. Chem.,?2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0022-y）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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