大湾区大学（筹）物质科学学院夏广杰研究员与南方科技大学化学系王阳刚副教授、惠州学院广东省电子功能材料与器件重点实验室谢韵博士合作，在复合催化剂电催化葡萄糖氧化机理研究上取得了新进展。该工作首次揭示了真实溶剂水模型中葡萄糖分子在复杂催化界面的电催化氧化反应机理，阐释了实验上复合催化剂催化活性优于单一催化剂的理论机制。该纯理论计算成果以“Mechanistic Insight into the Superior Catalytic Activity of Au/Co3O4 Interface in Glucose Sensors”为题发表在催化著名期刊ACS Catalysis （中科院一区top影响因子11.3）。该项目由国家自然科学基金项目（Nos. 22203041, 22373045, 21606053）、国家重点研发计划项目(No. 2022YFA1503102)等资助支持。
研究背景
在血糖的实时检测领域，非酶葡萄糖电化学传感器中的催化剂对葡萄糖检测的灵敏度至关重要。在实验中，电极上金属/氧化物复合催化剂的葡萄糖氧化活性普遍优于单一组分催化剂，但其背后的理论机制尚未明确。该领域先前的研究主要集中于催化剂在预处理阶段的变化以及葡萄糖分子在催化剂表面的吸附能计算。但是，吸附后葡萄糖分子具体如何反应？遵循何种反应路径？水溶液在催化过程中起什么作用？复合催化剂界面为什么可以促进催化反应活性？这些关键问题仍待解答。
研究结果
本研究在显式溶剂水模型中，通过DFT计算和AIMD模拟研究了葡萄糖分子在碳电极上各催化剂表面的催化氧化过程，对比常见的单组分氧化钴催化剂（Co3O4/C）、单组分金催化剂（Au/C）与复合组分金/氧化钴催化剂（Au/Co3O4/C）的催化剂构型、葡萄糖氧化自由能路径及电荷演变。结果表明，葡萄糖分子的羟基氢（HO）会先于碳上的氢（HC）脱去，且Ho转移是一个动力学上易发生的酸碱质子传递过程，而HC转移是一个动力学控制的氧化还原过程。在这些过程中，溶剂水分子起关键的质子传递作用。通过对比葡萄糖氧化自由能路径图，复合催化剂Au/Co3O4/C表现出比单一组分Au/C和Co3O4/C更低的自由能垒，从理论的角度验证了实验中复合催化剂的高活性。电荷分析表明，Au/Co3O4/C更高的活性源于金属-氧化物界面活跃的电子转移，其中金纳米粒子作为正电荷存储池增强界面处Co位点的氧化能力，从而辅助了HC氧化，进而增加了催化活性。
研究意义
虽然在实验中很难表征，但本研究通过理论模拟生动地说明了：电极上金属/氧化物界面的电荷转移对于葡萄糖催化氧化的关键作用。该机制也为葡萄糖传感器上金属/氧化物复合催化剂的设计提供了新的策略。
原文信息及链接：Yun Xie, Guang-Jie Xia,* Wei-Ping Gong, Fang-long Zhu, Zhen-Ting Zhao, and Yang-Gang Wang*, Mechanistic Insight into the Superior Catalytic Activity of Au/Co3O4 Interface in Glucose Sensors. ACS Catal. 2024, 14, 12956?12969. https://doi.org/10.1021/acscatal.4c03419
谢韵博士为本文第一作者，惠州学院为本文第一单位。夏广杰研究员和王阳刚副教授为本文的共同通讯作者。
