引言
近期，香港城市大学彭咏康教授团队在Chemical Engineering Journal上发表了题为“Fine-Tuned Ce Electron Density Directs H2O2 Activation Pathway in Industrially Employable CeO2 Nanozymes for ~100% Specificity and Boosted Activity in (Bromo)peroxidase Mimicking”的研究论文。该工作通过简单的煅烧法实现了氧化铈基纳米酶的大规模合成，具备工业化生产潜力。并通过调控表面铈活性位点的电子密度，实现了H2O2活化路径及相关（溴）过氧化物酶模拟反应特异性的控制。
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纳米酶是天然酶的有前景的替代品，但其大多缺乏特异性，严重制约了其发展。例如，CeO2纳米酶常被报道同时具有类过氧化物酶（POD）和类溴过氧化物酶（BPO）活性，然而这些反应不可避免地竞争H2O2，降低了其利用率和反应性能。本研究提出了一种简便的一步煅烧法，用于制备嵌入多孔碳中的CeO2基纳米酶，其合成规模可达克级。该方法无需繁琐的纯化步骤，相较于天然酶更具成本优势，因而适合大规模应用。制备气氛决定了配位氮物种（Ce-N）的形成（氮气气氛）或缺失（空气气氛），从而影响了Ce位点的电子密度，导致不同的H2O2活化路径，最终实现了对类POD和类BPO活性约100%的专一性调控。实验证明，当一种活性不受干扰时，CeO2纳米酶的另一活性可提升超过1000%，远超文献报道的改进幅度。随后，利用优化后的样品验证了专一性调控对于提升葡萄糖检测及抗菌/防污性能的重要性。这项工作有望为提升与H2O2活化相关的酶模拟反应的特异性和活性提供参考。
背景介绍
纳米酶因成本低、稳定性好，是天然酶的有前景的替代品，已应用于医疗、环境等领域。但多数纳米酶缺乏特异性，常同时表现出多种酶活性（如类POD和BPO活性），导致底物H2O2被竞争消耗，降低实际应用效率（示意图1a）。 研究表明, 类POD活性依赖“自由基途径”，与活性位点电子密度正相关（示意图1b(i)）。相反的，类BPO活性则依赖“过氧化物（peroxo）途径”，与活性位点缺电子程度正相关（示意图1b(ii)）。而CeO2纳米酶中具有中等电子密度的Ce活性位点，将同时具有两种活性路径，从而限制了其催化活性（示意图1c(i)）。文献中常用X射线光电子能谱（XPS）中Ce3+/Ce4+的比例关联活性，但该方法存在明显的局限性。一方面，采用铝源（1486.6 eV）激发的Ce3d光电子逃逸深度可达约7 nm，已超过我们合成的超小CeO2纳米颗粒（约4 nm）的尺度，从而引入了来自亚表面/体相Ce信号的干扰。另一方面，XPS Ce3d仅能提供离散的氧化态，无法反映由局域环境所致的连续电子密度变化。最近，我们课题组利用探针辅助核磁共振（NMR）技术解决了这些局限。我们发现，调控活性位点电子密度至较高或较低水平，可抑制其中一条途径，从而显著提升另一途径的活性和特异性。但现有表面修饰方法制备与纯化步骤繁琐、产率低、成本高，难以规模化。因此，亟需开发简便、可规模化制备的纳米酶，通过精准调控电子密度实现单一H2O2活化途径（示意图1c(ii)），从而在检测、抗菌等应用中达到最佳性能。
示意图1. (a) (i) POD与 (ii) BPO的酶促反应示意图。(b) H2O2通过 (i) 自由基路径（模拟POD）与 (ii) peroxo路径（模拟BPO）活化的示意图。(c) (i)文献中与 (ii) 本研究中Ce电子密度对H2O2活化与相关酶促反应特异性的影响。
文章要点
本研究开发了一种简易、可规模化生产的一步制备法，通过高温下煅烧Ce(NO3)3与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）混合物，制得了镶嵌于多孔碳基框架中的超小CeO2纳米颗粒。所得样品标记为 N/A-X，其中 N/A表示煅烧氛围（氮气/空气），X代表煅烧温度。以500 °C焙烧得到的样品为例，在N2氛围中，源自NO3⁻和PVP的氮大部分得以保留，并转化为吡咯氮和Ce-N物种。而在空气氛围下煅烧时，受氧化环境影响，混合物中所有氮源均被完全移除。
图1. N-500与A-500的 (a) SEM图像及元素分布图以及 (b) TEM图像及晶格分析。样品的 (c) XRD和 (d) XPS图。
样品的类POD活性评估通过追踪3,3’5,5′-四甲基联苯胺（TMB）的氧化来实现。结果显示，N-500表现出优异的类POD活性，其反应速率常数分别是球形氧化铈纳米颗粒（Ce-Sp）和A-500的3倍和10倍（图2a）。为评估类BPO活性，我们通过酚红溴化生成Br4PR的方法监测HOBr的生成。值得注意的是，仅A-500和Ce-Sp在该反应中表现出活性，其中A-500的反应速率常数是Ce-Sp的4倍以上。由于N-500完全不具有活性，因此A-500相对于N-500的活性提升可视为无限大（图2b）。
图2. 样品的 (a) 类POD活性与 (b) 类BPO活性，以及对应的 (i) 示意图、(ii)随时间变化的UV-Vis光谱、(iii) k常数和 (iv) 不同H2O2浓度下的反应速率。
通过TMPO作为探针的31P NMR、电子顺磁共振（EPR）以及H2O2分解实验结果分析，我们揭示了表面Ce电子密度与催化活性之间的构效关系。N-500表现出的专一类POD活性源于其Ce-N物种所关联的富电子Ce位点，这些位点能有效地将H2O2还原为·OH自由基。相比之下，在空气氛围中制备的A-500具有缺电子Ce位点，这抑制了H2O2的还原过程，促进了利于Br⁻氧化的Ce-peroxo物种的形成，从而表现出高的类BPO活性。由于Ce-Sp表面Ce位点具有中等电子密度，使得H2O2能通过双反应路径被活化，但因其缺乏反应特异性，导致类POD与类BPO活性均处于较低水平。
图3. (a) 以TMPO为探针的31P NMR谱图。(b) 以DMPO为探针的EPR谱图用于监测·OH自由基的生成。(c) 在无溴化钾（虚线）和有溴化钾（实线）条件下随时间变化的H2O2分解图。
DFT模拟结果进一步表明，在N-500样品的N-(111)表面上，氮物种的存在会提升周围Ce位点的电子密度，从而促进H2O2的还原反应。但该作用同时会阻碍H2O2与Br的反应，使得HOBr的生成更倾向于在具有原始(111)表面的A-500上发生。
图4. (a) 替换表面氧原子为氮原子 (i) 之前与 (ii) 之后的CeO2 (111) 晶面的俯视图。原始 (111) 面与氮掺杂 (111) 面上 (b) 形成表面peroxo物种并释放·OH自由基的能量分布图，以及 (c) 形成O桥接的溴物种并产生HOBr的能量分布图。
我们进一步探究了煅烧温度对制备样品的影响，其中N-600与A-400分别具有最优的类POD和BPO活性。在成本效益方面，二者的“活性/成本”比值优于同等氛围中其他温度下煅烧制得的样品，且显著超越对应的天然酶。两种样品同时表现出优异的pH/热稳定性以及储存稳定性。在循环使用性上，经过五次催化循环后，其活性仍能保持约90%。实验室规模制备中，N-600每批次产量约1.8克，而A-400可达18克以上。目前我们正通过扩大马弗炉规格以提升单次产量，并计划将本方法与连续流反应器技术结合，推进规模化生产进程。
图5.在氮气/空气氛围中不同温度下制备所得样品的 (a) SEM（上图）与TEM（下图）图像，以及其 (b) XRD谱图。这些样品中 (c) CeO2纳米颗粒的尺寸分布，及其 (d) 对应的类POD（蓝色柱）和类BPO（红色柱）反应的k常数。(e) (i) 氮气煅烧与 (ii) 空气煅烧样品的预估生产成本及性价比分析。
图6. (a) pH稳定性与 (b) 热稳定性分析。(c) 用于制备 (i) N-600与 (ii) A-400的设备示意图，单坩埚产量及每批次总产量。
在氮气与空气条件下最优的样品N-600和A-400，在葡萄糖检测和抗菌/防污应用中展现出显著的性能差异，凸显了调控活性位点电子密度对于通过特定路径激活H2O2以实现反应特异性和获得最佳性能的重要性。
图7. (a) 葡萄糖检测示意图。(b) UV-Vis光谱图及 (c) N-600与A-400作为POD模拟物对葡萄糖浓度的响应。(d) N-600作为POD模拟物的选择性测试，以及 (e)我们的方法与商业葡萄糖监测设备对血清样品中葡萄糖水平测试的比较。(f) 不同条件下大肠杆菌的存活率和 (g) 对应的实物照片与SEM图像。(h) (i) 铁片上负载样品的制备示意图及 (ii) 其暴露于绿色荧光蛋白标记大肠杆菌悬浮液中的实验结果。
结论
本研究提出了一种简便的制备方法，通过高温煅烧Ce(NO3)3与PVP的混合物，成功在碳基框架内合成了超小CeO2纳米颗粒。通过调控煅烧氛围，使所得CeO2纳米酶实现了近乎完美的类POD/BPO活性模拟。该方法避免了纯化步骤，与天然酶相比，在大规模生产中展现出更优的成本效益。表面及机理研究表明，氮气氛围制备样品表现出的专一性类POD活性，源于其Ce-N物种周围的高电子密度Ce位点，这些位点能高效催化H2O2还原为·OH自由基。相比之下，空气氛围制备样品因缺乏此类物种而形成低电子密度Ce位点，无法还原H2O2，但转而促进了Ce-peroxo物种的生成。该物种可特异性氧化Br⁻生成HOBr，从而表现出主导的类BPO活性。此外，我们发现CeO2纳米酶中普遍存在的双重模拟活性（以本研究中的Ce-Sp为例），源于其中等电子密度Ce位点，该位点通过双路径缓慢活化H2O2。这些研究结果表明，抑制其中一种酶活性能有效降低因H2O2竞争而产生的干扰，从而显著提升另一种活性。最后，我们将优化的样品N-600与A-400分别应用于葡萄糖检测和抗菌/防污领域，以阐明反应特异性调控对实现最优性能的重要性。迄今为止，尚无纳米酶或单原子纳米酶能同时实现如此高的反应特异性与可规模化生产能力，因此本工作标志着该领域的重要进展，有望为未来的实际应用提供指导。
作者及团队介绍
Dr. Yung-Kang PENG (彭咏康) obtained his PhD degree in 2017 from the University of Oxford in Inorganic Chemistry, for which he served as an Oxford Clarendon scholar as top 3% graduate of 2013 admission year. He joined the Chemistry Department at the City University of Hong Kong as an assistant professor in 2018 and was promoted to Associate Professor in 2024. His research focuses on understanding surface chemistry to design hetero(photo)catalysts and MRI contrast agents. Dr. PENG has published over 100 SCI papers in the relevant field and secured fundings of more than 7 million HKD as PI.
课题组主页：https://yungkangpenglab.wixsite.com/ykpenglab
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172970
