Bionic design of cytochrome c oxidase-like single-atom nanozymes for oxygen reduction reaction in enzymatic biofuel cells

细胞色素c氧化酶 催化作用 血红素 血红素A 细胞色素c 化学 电子传输链 活动站点 氧化酶试验 葡萄糖氧化酶 氧气 组合化学 材料科学 生物化学 有机化学 线粒体
作者
He Zhang,Liang Huang,Jinxing Chen,Ling Liu,Xinyang Zhu,Weiwei Wu,Shaojun Dong
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:83: 105798-105798 被引量:60
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105798
摘要

Designing an artificial enzyme, from the perspective of bionics, to mimic the catalytic activity of natural enzymes is highly desirable but remains challenges. In response to the simulation of biological structure, we developed cytochrome c oxidase (CcO)-like single-atom nanozymes with FeN5 active centers (FeN5 SAs) in this work. Similar to the spatial structure of heme a3 in natural CcO, the active center of FeN5 SAs is axial N-coordinated heme-like structure and can be served as oxygen-binding site to complete oxygen reduction reaction (ORR) in respiratory electron transport chain by catalyzing the oxidation of cytochrome c (Cyt c). Depending on this bionic structure, furthermore, FeN5 SAs exhibited competitive electrocatalytic performance towards ORR with a half-wave potential of 0.67 V (vs. RHE) at neutral condition. Coupling a glucose dehydrogenase (GDH) bioanode, the FeN5 SAs-based glucose/O2 enzymatic biofuel cell (EBFC) obtained a maximum power density of 149.2 ± 4.0 μW cm−2 with an open circuit potential of 0.40 ± 0.01 V. In this study, inspired by the native structure of enzymes, we develop CcO-like FeN5 SAs and expand its application in EBFCs, which may provide an rational research approach to advance the development of nanozymes.
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