Современная наука находится в постоянном поиске новых материалов, способных эффективно решать задачи в самых разных областях – от биосенсоров и мониторинга окружающей среды до медицинской диагностики. Нанозимы, функциональные наноматериалы, имитирующие свойства природных ферментов, представляют собой многообещающее направление. Однако, несмотря на открытие тысяч различных нанозимов, их систематическая разработка затруднена из-за отсутствия надежных методов прогнозирования их каталитической активности.
Группа исследователей под руководством профессора Хуэй Вэй совершила прорыв в этой области, представив новый прогностический дескриптор – заселенность t2-орбиталей. Этот дескриптор, опубликованный в журнале Angewandte Chemie International Edition, позволяет целенаправленно разрабатывать высокоэффективные нанозимы на основе шпинельных оксидов с усиленной пероксидазоподобной (ПОД) активностью.
В основе исследования лежит глубокое понимание электронной структуры шпинельных оксидов, в частности, тех, где ионы переходных металлов занимают тетраэдрические позиции, как, например, в соединениях типа ACr2O4. Изучая ряд хромосодержащих шпинелей, ученые заметили значительные различия в их ПОД-подобной активности. Это наблюдение привело к идее о существовании ключевой электронной характеристики, определяющей каталитические свойства материалов.
Путем калибровки заселенности t2-орбиталей, важного параметра, характеризующего электронное состояние тетраэдрических узлов кристаллической решетки, исследователи установили ее прямую связь с активностью нанозимов. Результатом стал график в форме «вулканической» кривой, демонстрирующий, что максимальная ПОД-подобная активность достигается при заселенности t2-орбиталей в диапазоне от 3.7 до 4.9.
Экспериментальным подтверждением прогностической силы нового дескриптора стали исследования CuCr2O4 – соединения, чья заселенность t2-орбиталей близка к 4.4. Этот материал продемонстрировал наивысшую активность среди исследованных соединений, что убедительно подтвердило корректность предложенной модели.
Дальнейшая оптимизация свойств нанозимов была достигнута за счет регулирования температуры прокаливания. Этот метод позволил тонко настраивать заселенность t2-орбиталей и, как следствие, получать материалы с еще более высокими каталитическими характеристиками. В результате оптимизации активность новых материалов удалось увеличить в сто раз по сравнению с предшествующими разработками.
Для дальнейшего повышения точности прогнозирования и расширения возможностей оптимизации, исследователи ввели второй дескриптор – содержание поверхностного кислорода (Oβ). Этот параметр позволяет учитывать вклад октаэдрических позиций в шпинельной структуре и уточнять предсказания активности в тех случаях, когда одной заселенности t2-орбиталей недостаточно.
Комбинированное использование двух дескрипторов позволило преодолеть ограничения, накладываемые «вулканической» кривой, и достичь качественно нового уровня каталитической активности. Эта стратегия была успешно применена к нанозиму CuCo2O4. Оптимизированный CuCo2O4 продемонстрировал активность, вдвое превышающую лучшие результаты, достигнутые ранее для нанозимов.
Валидность полученных результатов была подтверждена с помощью расчетов методом теории функционала плотности (DFT). Успешная разработка и экспериментальное подтверждение прогностической силы дескриптора заселенности t2-орбиталей открывают новые горизонты для быстрого и эффективного конструирования нанозимов с высочайшей каталитической эффективностью.
Этот прорыв имеет огромное значение для развития нанозимной технологии и ее широкого применения. Высокая каталитическая эффективность, достигнутая благодаря предсказуемому дизайну, делает нанозимы все более привлекательными для использования в разнообразных областях, где требуются высокоэффективные и экономичные каталитические материалы.
Изображение носит иллюстративный характер
Группа исследователей под руководством профессора Хуэй Вэй совершила прорыв в этой области, представив новый прогностический дескриптор – заселенность t2-орбиталей. Этот дескриптор, опубликованный в журнале Angewandte Chemie International Edition, позволяет целенаправленно разрабатывать высокоэффективные нанозимы на основе шпинельных оксидов с усиленной пероксидазоподобной (ПОД) активностью.
В основе исследования лежит глубокое понимание электронной структуры шпинельных оксидов, в частности, тех, где ионы переходных металлов занимают тетраэдрические позиции, как, например, в соединениях типа ACr2O4. Изучая ряд хромосодержащих шпинелей, ученые заметили значительные различия в их ПОД-подобной активности. Это наблюдение привело к идее о существовании ключевой электронной характеристики, определяющей каталитические свойства материалов.
Путем калибровки заселенности t2-орбиталей, важного параметра, характеризующего электронное состояние тетраэдрических узлов кристаллической решетки, исследователи установили ее прямую связь с активностью нанозимов. Результатом стал график в форме «вулканической» кривой, демонстрирующий, что максимальная ПОД-подобная активность достигается при заселенности t2-орбиталей в диапазоне от 3.7 до 4.9.
Экспериментальным подтверждением прогностической силы нового дескриптора стали исследования CuCr2O4 – соединения, чья заселенность t2-орбиталей близка к 4.4. Этот материал продемонстрировал наивысшую активность среди исследованных соединений, что убедительно подтвердило корректность предложенной модели.
Дальнейшая оптимизация свойств нанозимов была достигнута за счет регулирования температуры прокаливания. Этот метод позволил тонко настраивать заселенность t2-орбиталей и, как следствие, получать материалы с еще более высокими каталитическими характеристиками. В результате оптимизации активность новых материалов удалось увеличить в сто раз по сравнению с предшествующими разработками.
Для дальнейшего повышения точности прогнозирования и расширения возможностей оптимизации, исследователи ввели второй дескриптор – содержание поверхностного кислорода (Oβ). Этот параметр позволяет учитывать вклад октаэдрических позиций в шпинельной структуре и уточнять предсказания активности в тех случаях, когда одной заселенности t2-орбиталей недостаточно.
Комбинированное использование двух дескрипторов позволило преодолеть ограничения, накладываемые «вулканической» кривой, и достичь качественно нового уровня каталитической активности. Эта стратегия была успешно применена к нанозиму CuCo2O4. Оптимизированный CuCo2O4 продемонстрировал активность, вдвое превышающую лучшие результаты, достигнутые ранее для нанозимов.
Валидность полученных результатов была подтверждена с помощью расчетов методом теории функционала плотности (DFT). Успешная разработка и экспериментальное подтверждение прогностической силы дескриптора заселенности t2-орбиталей открывают новые горизонты для быстрого и эффективного конструирования нанозимов с высочайшей каталитической эффективностью.
Этот прорыв имеет огромное значение для развития нанозимной технологии и ее широкого применения. Высокая каталитическая эффективность, достигнутая благодаря предсказуемому дизайну, делает нанозимы все более привлекательными для использования в разнообразных областях, где требуются высокоэффективные и экономичные каталитические материалы.
