In Situ Domain-Confined CoIrO x Clusters within MOFs: Efficient Artificial Nanozymes for Multimodal Sensing

催化作用 过电位 材料科学 纳米技术 原位 合理设计 基质(水族馆) 吸附 密度泛函理论 星团(航天器) 钴 异质结 金属有机骨架 协同催化 过氧化氢 金属 多相催化 粒子(生态学) 化学工程 氧气 纳米颗粒 表征(材料科学) 氧化还原 过渡金属 氢 析氧
作者
Minyu Yan,Tian Meng,Xingfu Bao,Dewen Wang,Xiurong Yang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (16): 12524-12536 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c00731
摘要

Inadequate control over particle size and intermediate adsorption leads to low active site density and sluggish reaction kinetics, which remain critical challenges for the development of high-performance nanozymes. Here, we report a one-pot strategy that simultaneously enables IrO x nucleation, metal organic framework (MOF) formation, and cobalt (Co) doping, thus constructing in situ confined Co-doped IrO x (CoIrO x ) cluster complexes within MOFs (denoted as CoIrO x /CoIr-MOFs). Systematic characterization revealed that MOF nanosheets grown on the preferentially nucleated CoIrO x surface inhibit their excessive growth and aggregation, ultimately confining ultrafine CoIrO x uniformly within the interlayer regions and forming tight interfaces. Moreover, Co doping into the IrO x lattice weakens the adsorption energy of the OH* intermediates, thereby reducing the overpotential for oxygen reduction and the energy barrier of the rate-determining step. Concurrently, it enhances the substrate affinity of the catalytic sites. The as-prepared CoIrO x /CoIr-MOFs can directly catalyze oxygen or hydrogen peroxide to generate reactive oxygen species (ROS), exhibiting multienzymes (oxidase, peroxidase, and laccase) like activities that enable different signal transduction. As a proof of concept for the rational design of the nanozyme, CoIrO x /CoIr-MOFs constructed a triple-modal sensing platform. Its highly efficient detection performance for glutathione (GSH) stems from the excellent catalytic properties of CoIrO x /CoIr-MOFs under the synergistic regulation of in situ confinement and Co doping. This work provides a foundational design strategy for metal oxide/MOF heterostructures with excellent catalytic performance and supports the further applications of advanced nanozyme in catalysis and biosensing.
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