摘要：在生命体内，酶凭借高效且特异的催化活性成为化学反应的“超级引擎”，但天然酶易受温度、pH影响，且难以回收利用，限制了其在工业催化、医学检测等领域的大规模应用。纳米酶作为人工合成的酶模拟材料，虽具备稳定性优势，却长期面临“活性不足”与“特异性差”的双重瓶颈——如
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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年05月10日 江苏。
*编辑：张祖豪
在生命体内，酶凭借高效且特异的催化活性成为化学反应的“超级引擎”，但天然酶易受温度、pH影响，且难以回收利用，限制了其在工业催化、医学检测等领域的大规模应用。纳米酶作为人工合成的酶模拟材料，虽具备稳定性优势，却长期面临“活性不足”与“特异性差”的双重瓶颈——如何让纳米酶像天然酶一样高效且专一地催化反应，成为材料科学与生物催化领域的核心挑战。
南京邮电大学汪联辉教授团队近期在Chinese Chemical Letters发表的研究（DOI: 10.1016/j.cclet.2025.111227）中通过原子级晶格应变工程，成功构建出具有优异的类过氧化物酶（POD）活性的L10 PtCo@Pt核壳纳米酶。这种新型结构将催化比活性提升至25.545（U/mg），较传统Pt纳米酶增强17.4倍，且近乎忽略氧化酶（OXD）活性，为高特异性纳米酶设计提供了全新策略。
图1. (a) PtCo核壳金属间化合物形成的示意图。该图依次展示了负载在碳黑上的PtCo前驱体，经过瞬时高温加热后，在碳黑上形成L10 PtCo@Pt核壳结构的过程。(b) 在96孔微孔板上过氧化物酶催化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）显色反应的示意图。(c) 比较了三种不同配置下的PtCo结构的类过氧化物酶活性和特定性质：PtCo金属间化合物核与Pt壳、PtCo合金以及纯Pt，并附有它们原子排列的示意图。
研究团队另辟蹊径，采用焦耳加热技术实现快速热加工的黑科技（图1）。制备过程中，将氯铂酸与氯化钴前驱体（Pt/Co=1.5:1）负载于经CO2蚀刻的碳黑载体上，通过瞬时高温（~2000 K）处理，仅用1分钟便完成了核壳结构的构建。该合成方法具有结构均匀性、应变精准调控、绿色高效等优势，不仅解决了传统方法的耗时难题，更首次实现了原子级应变的可控植入，为后续催化性能的飞跃奠定了结构基础。
微观表征手段证实了核壳结构的成功构建。如图2所示，高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）与能量色散X射线光谱（EDS）显示，Pt元素均匀包覆Co元素，形成完整壳层；高分辨透射电镜（HRTEM）进一步揭示，PtCo核的（001）晶面间距为0.36 nm，Pt壳的（001）晶面间距为0.198 nm，二者晶相差异明确，且Pt壳层厚度约0.8 nm，均匀覆盖整个颗粒。这种有序的核壳架构不仅提供了稳定的应力环境，更通过晶格失配实现了对Pt壳层电子结构的精准调控。
图2. (a, b) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物的结构表征和颗粒尺寸分布。(c) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物的HAADF-STEM图像及其对应的EDS元素分布图。(d) 标注有Pt壳间距（0.18纳米）和PtCo核间距（3.36 nm）的L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物的高分辨率电镜图像。(e) L10 PtCo核心 (001) d-间距和Pt壳 (001) d-间距的傅里叶变换。(f) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物的HRTEM图像以及单个杂化纳米晶体的STEM-EDS线扫描分析。
类酶催化性能测试中，L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物展现出压倒性优势。在TMB显色反应中，其类POD比活性达25.575（U/mg），分别是PtCo合金（4.641 U/mg）和纯Pt纳米酶（3.042 U/mg）的5.5倍与17.4倍，吸光度在10分钟内达1.82，远超对照样品。动力学分析显示，其反应活化能（3.73 kJ/mol）比PtCo合金降低46%，米氏常数（Km）表明对H2O2的亲和力提升3倍，催化效率显著提高。更关键的是，该结构呈现近乎可忽略的OXD活性，解决了传统纳米酶非特异性氧化的难题。（图3）
图3. (a) L10 PtCo@Pt核壳层、PtCo合金和Pt纳米酶的XRD图谱。(b) 三种纳米酶Pt 4f的高分辨XPS谱。(c) 纳米酶的类POD活性反应和比活性大小的示意图。(d) 相同条件下不同纳米酶催化的H2O2-TMB系统的吸光度值。(e) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物、PtCo合金和Pt纳米酶的SAs。(f) 不同纳米酶的SA值比较。(g) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物和PtCo合金纳米酶的ln（k）与1/T的Arrhenius图。(h) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物、PtCo合金和Pt纳米酶的类POD活性和类OXD活性的比较
理论计算揭示了应变调控的原子级机制（如图4），PtCo核的有序排列导致Pt壳层产生3.5%压缩应变，Pt-Pt键长从2.736 Å缩短至2.64 Å，d带中心上移0.12 eV，增强了对H2O2的吸附能力（吸附能从-3.27 eV降至-1.49 eV），并拉长O-O键至2.585 Å，促进其解离，决速步骤能垒从纯Pt的0.166 eV降至0.128 eV，反应路径优化使催化循环效率大幅提升。此外，Co向Pt的电子转移（XPS证实结合能负移）进一步增强了Pt壳的电负性，形成“结构应变+电子调控”的协同效应。
图4. (a) PtCo合金和L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物的结构示意图。(b) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物、PtCo合金和Pt的Pt-Pt和O-O键长比较。(c) L10 PtCo@Pt核壳金属间化合物、PtCo合金和Pt在不同反应坐标下的能量变化。x轴表示不同的反应物和产物，y轴表示能量（eV）。不同颜色的曲线表示三种材料的能量变化，其中O原子、H原子、Pt原子和Co原子分别用橙色、蓝色、灰色和深蓝色表示。
这项研究通过焦耳加热技术实现了核壳结构的极速合成与应变精准控制，明确了晶格应变在纳米酶特异性调控中的关键作用。其普适性合成策略可扩展至多种金属间化合物体系，为FePt、NiPt等材料的设计提供了参考模板。在应用层面，该纳米酶已在癌胚抗原检测中展现高灵敏度，未来有望在医学诊断、肿瘤催化治疗及环境污染物降解等领域发挥重要作用，推动纳米酶从实验室研究向实际应用转化，为催化材料设计开辟“应变工程”新路径。
该工作以"Strain-driven intermetallic PtCo nanozymes for high and specific peroxidase-like activity"为题目发表于Chinese Chemical Letters。论文第一作者为南京邮电大学材料科学与工程学院硕士生许波，通讯作者为南京邮电大学汪联辉教授、罗志敏教授和上海理工大学崔铭锦教授。
来源：老周的科学大讲堂