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Active, Yet Little Mobility: Asymmetric Decomposition of H2O2 Is Not Sufficient in Propelling Catalytic Micromotors

化学 催化作用 纳米技术 铂金 纳米颗粒 微球 退火(玻璃) 化学工程 分解 纳米 有机化学 材料科学 工程类 复合材料
作者
Xianglong Lyu,Xiaoxia Liu,Chao Zhou,Shifang Duan,Pengzhao Xu,Jia Dai,Xiaowen Chen,Yixin Peng,Donghao Cui,Jinyao Tang,Xing Ma,Wei Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (31): 12154-12164 被引量:111
标识
DOI:10.1021/jacs.1c04501
摘要

A popular principle in designing chemical micromachines is to take advantage of asymmetric chemical reactions such as the catalytic decomposition of H2O2. Contrary to intuition, we use Janus micromotors half-coated with platinum (Pt) or catalase as an example to show that this ingredient is not sufficient in powering a micromotor into self-propulsion. In particular, by annealing a thin Pt film on a SiO2 microsphere, the resulting microsphere half-decorated with discrete Pt nanoparticles swims ∼80% more slowly than its unannealed counterpart in H2O2, even though they both catalytically produce comparable amounts of oxygen. Similarly, SiO2 microspheres half-functionalized with the enzyme catalase show negligible self-propulsion despite high catalytic activity toward decomposing H2O2. In addition to highlighting how surface morphology of a catalytic cap enables/disables a chemical micromotor, this study offers a refreshed perspective in understanding how chemistry powers nano- and microscopic objects (or not): our results are consistent with a self-electrophoresis mechanism that emphasizes the electrochemical decomposition of H2O2 over nonelectrochemical pathways. More broadly, our finding is a critical piece of the puzzle in understanding and designing nano- and micromachines, in developing capable model systems of active colloids, and in relating enzymes to active matter.
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