Electron Transfer to the Trinuclear Copper Cluster in Electrocatalysis by the Multicopper Oxidases

电催化剂 化学 电子转移 超级交换 电化学 催化作用 电子受体 电极 光化学 组合化学 无机化学 物理化学 生物化学 有机化学 离子
作者
Alina Sekretareva,Shiliang Tian,Sébastien Gounel,Nicolas Mano,Edward I. Solomon
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (41): 17236-17249 被引量:30
标识
DOI:10.1021/jacs.1c08456
摘要

High-potential multicopper oxidases (MCOs) are excellent catalysts able to perform the oxygen reduction reaction (ORR) at remarkably low overpotentials. Moreover, MCOs are able to interact directly with the electrode surfaces via direct electron transfer (DET), that makes them the most commonly used electrocatalysts for oxygen reduction in biofuel cells. The central question in MCO electrocatalysis is whether the type 1 (T1) Cu is the primary electron acceptor site from the electrode, or whether electrons can be transferred directly to the trinuclear copper cluster (TNC), bypassing the rate-limiting intramolecular electron transfer step from the T1 site. Here, using site-directed mutagenesis and electrochemical methods combined with data modeling of electrode kinetics, we have found that there is no preferential superexchange pathway for DET to the T1 site. However, due to the high reorganization energy of the fully oxidized TNC, electron transfer from the electrode to the TNC does occur primarily through the T1 site. We have further demonstrated that the lower reorganization energy of the TNC in its two-electron reduced, alternative resting, form enables DET to the TNC, but this only occurs in the first turnover. This study provides insight into the factors that control the kinetics of electrocatalysis by the MCOs and a guide for the design of more efficient biocathodes for the ORR.
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