Revealing Selectivity in Nanozyme Reactions via OH Adsorption: A Descriptor-Guided Mechanism for H 2 O 2 Activation on Doped Carbon Nanotubes

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作者
Zhicheng Xiong,Ziyu Shen,Leyun Li,Yuxin Wan,Xingfa Gao,Xingfa Gao,Junnan Li,Shengliang Zhong,Xuejiao J. Gao,Xuejiao J. Gao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (50): 68364-68375 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c21425
摘要

Controlling the catalytic selectivity of nanozymes remains a major challenge in redox nanomedicine. Although various carbon-based materials have been developed as enzyme-mimicking catalysts for H2O2 decomposition, doped carbon nanotubes (CNTs) remain underexplored, especially regarding their ability to direct peroxidase (POD) or catalase (CAT) pathways. Here, we conduct a systematic first-principles study of H2O2 activation on 70 single-walled CNTs with varying chiralities, diameters, and dopants (B, N, P, S). By calculating adsorption energies of key intermediates (H*, O*, OH*, OOH*), we establish strong linear correlations between Eads,OH and the reaction energies of different H2O2 decomposition pathways. We propose Eads,OH as a unified descriptor that predicts both activity and selectivity. N-doped CNTs favor OH* formation, while B- and N,P-co-doped CNTs promote O* intermediates─demonstrating two distinct POD-like mechanisms. This difference originates from dopant-dependent shifts in the p-band center, which tune adsorption strengths and reaction thermodynamics. Several doped CNTs, including B-doped CNT(5,5) and N,P-co-doped CNT(6,0), show strong POD selectivity, whereas pristine armchair CNTs prefer CAT-like behavior. Our work reveals how dopant and geometric modulation of CNTs govern catalytic selectivity at the molecular level. These insights not only clarify H2O2 reaction pathways on carbon nanozymes but also provide a descriptor-guided framework for designing selective and high-performance nanocatalysts.
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