施剑林/逯向雨NML: 密度效应促进高负载单原子催化剂催化ROS生成以高效抗菌

近期，中国科学院院士施剑林院士、逯向雨团队在国际期刊《纳微快报（英文）》（Nano-Micro Letters, IF=31.6）发表题为“High Fe-loading single-atom catalyst boosts ROS production by density effect for efficient antibacterial therapy”的交叉性研究论文。该研究设计了一种新型高效的纳米催化药物抗菌以促伤口愈合。受社会科学和生态学领域的概念-密度效应-启发，作者提出了催化领域的密度效应学术新概念，为设计高效纳米药物提供了方法，有望推广用于合成高效催化剂。

研究背景

新兴的单原子催化剂（SACs）因其活性高、结构简单易调控、超高原子利用率等特点展现出巨大潜力。为了优化其催化活性，人们通常通过增加活性位点的个数或提升单个位点的活性两种方式来合成催化剂，由于单原子本身的性质和合成上的困难，往往二者不可兼得。目前应用于生物医学领域中的SACs金属负载量普遍较低（甚至低于 0.2%），极大限制其临床转化，因此亟需开发出能同时提升活性位点数量和单个位点本征活性的方法来制备医用SACs。

Nano-Micro Letters 17, 32 (2025).https://doi.org/10.1007/s40820-024-01522-1

本文亮点

1. 通过铁元素替换锌元素的方法成功合成了高负载量、高催化活性和高稳定性的铁单原子催化剂（h3-FNCs），一石二鸟，同时提升了金属负载量和比金属质量活性。

2. 首次发现了由活性位点密度高引发的“密度效应”，这种效应导致单原子位点的本征活性发生了显著变化。

3. h3-FNCs 卓越的类氧化酶催化活性可确保高效的杀菌活性。

内容简介

目前应用于医疗领域的单原子催化剂（SACs）仍然存在金属负载量低的问题。施剑林院士、逯向雨、陈思等人开发了一种合成方法，能够通过锌与铁的交换来提高 SACs 的金属负载量的同时提高其比金属质量活性。所构建的铁单原子催化剂（h3-FNC）具有 6.27 wt% 的高金属负载量和 ~4 Å 的铁-铁间距，表现出卓越的类氧化酶催化活性，在常温储存 6 个月后不会出现明显的活性衰减，并具有良好的抗菌效果。最吸引人的是，该研究发现了单原子催化中的“密度效应”，高的金属掺杂量会使活性位点的距离变近，达到阈值后近邻活性位点产生相互作用，改变电子结构，进而改变活性位点的本征催化活性。本研究中高负载SACs中的单个铁原子位点的活性约为低、中负载 SACs的 2.3 倍，同时由于活性位点的数量多，h3-FNC 的类氧化酶催化活性大大提高，质量活性和比金属质量活性达到商用 Pt/C 的 66 倍和 315 倍。此外，h3-FNC 在催化氧气还原为超氧阴离子和耗竭谷胱甘肽方面的能力也得到了显著增强。体外和体内实验证实了h3-FNCs 在通过抗菌促进伤口愈合方面具有卓越的功效。

图文导读

单个铁原子在高负载单原子催化剂（h3-FNCs）中密集分布，导致相邻的 Fe-N4 结构彼此足够接近，从而产生相互作用，提高了单个活性位点的催化活性，这种活性位点密度的改变影响其本征活性的现象称为 “密度效应”。所合成的 h3-FNCs 具有超高的类氧化酶活性，可有效催化 ROS 生成和 GSH 消耗，导致细菌的细胞膜破坏、DNA 损伤和蛋白质渗漏，从而在体外和体内有效根除细菌促进感染区域的伤口愈合。

图 1. 具有密度效应的 h3-FNCs 抗菌应用示意图。

总结

该工作成功开发了一种离子交换法来合成高金属负载、超高催化活性和高稳定性的单原子催化剂 h3-FNC，用于高效便捷的抗菌治疗。通过材料表征、催化性能测试和 DFT 理论计算，揭示了金属密度和相邻两个铁原子在足够近的距离内的相互作用在赋予 h3-FNCs 超高催化性能方面的重要作用。与文献报道的 用于医疗领域的SACs 相比，具有密度效应的高铁负载 SACs 极大提高了自身的类氧化酶活性。体外和体内实验均证明了 h3-FNCs 的广谱杀菌性能，平均伤口愈合率高达 97.8%，并具有良好的生物安全性。除抗菌治疗外，h3-FNCs 还有望在治疗肿瘤和病毒感染等多种疾病方面发挥巨大潜力，并且为需要多位点协同催化的反提供了催化剂设计新思路。这些发现为提升 SACs 的金属负载量和单个活性位点的本征活性提供了极具吸引力的策略，有望用于推进单原子催化剂的临床转化。

Si Chen, Fang Huang, Lijie Mao, Zhimin Zhang, Han Lin, Qixin Yan, Xiangyu Lu & Jianlin Shi. High Fe-Loading Single-Atom Catalyst Boosts ROS Production by Density Effect for Efficient Antibacterial Therapy. Nano-Micro Lett. 17, 32 (2025).

论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01522-1

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