Angew. Chem. | t2占用数作为有效的预测性描述符指导纳米酶理性设计

摘要：纳米酶是具有类酶催化活性的功能纳米材料，因成本低、稳定性高、结构和功能可调等优点而受到广泛关注。然而，由于缺乏有效的活性描述符，多数纳米酶的发掘依赖试错法或偶然发现，存在活性偏低的问题，极大地限制了应用。

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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年03月02日江苏。

纳米酶是具有类酶催化活性的功能纳米材料，因成本低、稳定性高、结构和功能可调等优点而受到广泛关注。然而，由于缺乏有效的活性描述符，多数纳米酶的发掘依赖试错法或偶然发现，存在活性偏低的问题，极大地限制了应用。

基于上述挑战，近日，南京大学魏辉教授课题组和国家纳米科学中心高兴发研究员课题组以尖晶石氧化物（通式：AB2O4，A和B分别占据四面体位点和八面体位点）为研究模型，首次提出使用t2占用数作为描述符指导纳米酶的理性设计（t2代表三重反键分子轨道，由四面体晶体场中的d轨道分裂产生）。结合双描述符策略（表面氧（Oβ）含有率作为t2占用数的次级描述符）和双位点最优化策略，理性设计出高性能尖晶石纳米酶CuCo2O4。

图1. t2占用数作为描述符指导尖晶石纳米酶理性设计的示意图

在研究过程中，能稳定占据八面体位点的Cr被选定为B位点元素，以系统性地调节A位点为Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn。研究发现，模型材料ACr2O4的类POD活性与A位点的t2占用数呈现良好的火山型关系，并据此预测和证实了中等t2占用数（约4.4）的材料显示出最好的比活性，验证了t2占用数作为描述符在指导纳米酶设计方面的可靠性与预测能力。此外，为了解释t2占用数相同时活性有差异的现象，与比活性呈良好线性关系的表面氧（Oβ）含有率被引入作为t2占用数的次级描述符。双描述符策略驱动了收敛于同一顶点的三维火山型曲线。

图2. Cr系尖晶石氧化物纳米酶的类POD活性随t2和Oβ含量的变化

之后，结合组内的前期工作（Nano Lett., 2022, 22, 10003-10009），双位点最优化策略被提出，其中，A和B位点分别最优化为Cu和Co。双位点最优化策略突破了上述火山型曲线的限制，获得了高性能尖晶石纳米酶材料CuCo2O4，其催化活性相对于初始材料获得了百倍的提升，相对于高水平的尖晶石纳米酶材料LiCo2O4也取得了倍数的提升。