糖尿病是一种严重的代谢性疾病，血液中葡萄糖浓度长期居高不下，会导致严重的并发症，如肾功能衰竭、失明和心脏病。目前常用的葡萄糖检测方法是电化学酶生物传感，但由于酶的不稳定性，很容易受到外界环境（pH和温度）的影响。因此，金属、金属氧化物和金属氢氧化物等无酶纳米材料电化学传感器得到了广泛的发展。然而，大多数纳米材料的催化活性和选择性较差，限制了它们的实际应用。更重要的是，由于纳米材料的复杂结构和组成，在原子尺度上研究催化剂的催化位置和了解催化剂的特性是非常困难的。因此，开发新一代电化学非酶葡萄糖传感器迫切需要具有明确活性中心的高效电催化剂。

近日，湖北大学化学化工学院单长胜教授、曾明华教授和美国华盛顿州立大学郭啸风助理教授设计了一种单原子Pt负载到六边形Ni(OH)2/氮掺杂石墨烯（Pt1/Ni(OH)2/NG）材料，并构建了第一例单原子催化剂为基的电化学非酶葡萄糖传感。Pt1/Ni(OH)2/NG在电化学非酶葡萄糖传感中表现出高灵敏度、良好的选择性和高稳定性。通过实验和密度泛函理论计算（DFT），详细研究了Pt单原子与Ni(OH)2/NG的协同催化机理。

从球差电镜图中可以看到Ni(OH)2/NG上孤立的Pt原子，傅立叶变换X射线吸收精细结构谱（EXAFS）中只存在Pt-O键，不存在Pt-Pt键，证明了Pt单原子的存在。通过XPS发现，Pt的价态在0-+4价之间，且Pt1/Ni(OH)2/NG中Ni的价态比Ni(OH)2/NG的更高，表明Pt与Ni之间有强烈的电子相互作用。

此外，Pt1/Ni(OH)2/NG表现出更低的葡萄糖氧化电位，并且在0.01 mM至2.18 mM范围内表现出最佳的线性关系 (R2=0.992) 和最高灵敏度 (220.75 μA mM-1 cm-2)。同时， Pt1/Ni(OH)2/NG对葡萄糖还具有优异选择性和长期稳定性。电化学阻抗谱中，Pt1/Ni(OH)2/NG的电荷转移电阻低于Ni(OH)2，说明高导电的NG促进Pt1/Ni(OH)2/NG的电子转移能力。

DFT计算表明，Pt单原子诱导的Ni原子上的正电荷更多，表明单原子Pt和Ni(OH)2之间存在强电子相互作用。单原子Pt上更强的葡萄糖吸附强度表明Pt单原子是活性中心。此外，Pt1/Ni(OH)2中Pt单原子附近的Ni位点也表现出比原始Ni(OH)2更强的葡萄糖结合能。因此，Pt1/Ni(OH)2/NG对葡萄糖氧化的高活性可归因于Pt单原子、Ni(OH)2和NG的协同催化作用。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是湖北大学的硕士研究生龙宝俊和赵元萌博士。

来源：X-MOL