N- and B-doped fullerene as peroxidase- and catalase-like metal-free nanozymes with pH-switchable catalytic activity: A first-principles approach

化学 催化作用 离解(化学) 富勒烯 电泳剂 键离解能 光化学 密度泛函理论 过氧化氢酶 过氧化物酶 无机化学 组合化学 计算化学 物理化学 有机化学
作者
Sung Jun Hong,Hoje Chun,Minjoon Hong,Byungchan Han
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:598: 153715-153715 被引量:45
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2022.153715
摘要

Metal-free nanozymes are designed to function as peroxidase or catalase, controllable by pH conditions. Using first-principles density functional theory (DFT) calculations, we propose that heteroatomic doping of N and B to fullerene is promising to form active sites for catalyzing oxygenate intermediates for H2O2 decomposition. In neutral pH with bare surfaces, both N- and B-doped fullerenes show peroxidase-like catalytic activity rather than a catalase-like one. The presence of water, at neutral pH, drives peroxidase-like catalysis on the B-doped fullerene with marginal energy, in which the B atom functions as a strong electrophile that firmly adsorbs OH* and promotes O-O chemical bond dissociation. Interestingly, acidic, and basic environments tune their selectivity toward peroxidase- and catalase-like catalytic activity, respectively, mediated by pre-adsorbed H* and OH*. The DFT calculations demonstrate the applicability of N- and B-doped fullerenes by showing significantly decreased dissociation energy barriers of H2O2 into 2OH during the oxidation of 3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB). We believe that the results can provide a useful guide for designing highly active and selective carbon-based nanozymes toward H2O2 decomposition.
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