西安交大高效产氢气医用材料研究

在不同pH值下电催化制氢不仅实现了优异的设备性能，还促进了活性氧物质（ROS）清除和氢气抗炎应用。然而，要开发同时具备这些优秀特性的材料是困难的。本文报道了使用通用且简便的合成策略制备珠链状Co9Se8微球。

Unveiling The Multifunction of Beaded Stream‐Like Co9Se8 Catalysts for Water Splitting, Reactive Oxygen Species Scavenging, and Hydrogen Anti‐Inflammation - Luo - Advanced Energy Materials - Wiley Online Library

Co9Se8修饰电极有三个应用：高效水分解以增强性能、ROS清除和氢气抗炎活性。高角环形暗场扫描透射电子显微镜和密度泛函理论计算表明，重构的Co(OH)2在氧气演化反应中起至关重要的作用，而*O向*OOH的转变是实际的决定速率步骤。Co9Se8材料具有独特的珠链状结构，在磷酸盐缓冲溶液（pH 7.4）中展现出异常的产氢能力。特别是在中性条件下产生的氢气能有效降低ROS水平，显著抑制炎症相关的病理过程，在细胞层面发挥独特的抗氧化和抗炎作用。 研究结果提示，所合成的Co9Se8更适合水分解、ROS清除和氢气抗炎应用，超越了其他过渡金属电极，为工业和临床实际应用提供了可能。

Luo P, Wang H, Wen X, et al. Unveiling The Multifunction of Beaded Stream‐Like Co9Se8 Catalysts for Water Splitting, Reactive Oxygen Species Scavenging, and Hydrogen Anti‐Inflammation[J]. Advanced Energy Materials, 2302532.

作者分别来自西安交通大学和华东师范大学。

在不同pH值下电催化制氢可以以各种方式应用，例如在碱性条件下，氢气可以通过氧气演化反应（OER）来构建水分解设备。在中性或弱酸性环境中制氢可以有效促进清除和抗炎活动。然而，关于在不同pH值下开发高效电催化制氢材料及其灵活应用的报道很少。在碱性条件下制氢的优先事项是构建水分解设备。OER涉及四电子转移过程，在水分解设备中至关重要。然而，与该过程相关的缓慢反应动力学导致显著的能量转换损失。这项技术的进步依赖于合成成本低且寿命长电催化剂，以减少超出热力学潜力的过度电压（η）和Tafel斜率（OER的电荷转移系数的倒数）。对于商业应用，贵金属和贵金属氧化物（如Ir/Ru氧化物）被认为是尖端电催化剂，可以在接近所需热力学潜力的情况下促进水分解。尽管Ru/Ir氧化物在OER中的活性和稳定性令人印象深刻，但它们的广泛采用受到高成本和有限资源的限制。这就需要调查替代OER催化剂，这些催化剂便宜、地球上丰富，并由非贵金属组成，具有合适的活性和耐久性水平。

过渡金属硒化物因其扩展的金属性和通过调节高密度活性中心（NiCo2Se4和Co3Se4）、暴露更多活性位点（Co3O4/Co0.85Se/Co9Se8）以及合并表面氧空位（CoSe2）而获得的杰出OER活性而独特。与其他硒化物相比，Co9Se8具有独特的Co/Se比率，导致形成适当的表面活性位点，促进与水电解相关的反应中间体之间形成适度的键。这反过来又增强了OER性能。此外，以前的文献表明，金属Co纳米颗粒的珠状流线型纳米针结构有利于提高催化过程中的交换电流密度，并提供许多高度可访问的反应位点，从而有利于催化过程中的质子吸附动力学。此外，这种项链状结构可以提供更多的活性位点和电荷转移路径，赋予它们更高的电催化活性。

以前的研究报告称，在中性溶液中实现出色的反应性能是困难的，生物学应用的报告相对较少。最近的报告揭示了氢气（H2）与自由基相互作用并消除自由基，包括羟基（•OH）和过氧亚硝酸根（ONOO–）阴离子。此外，氢气在细胞中的反应副产品是无害的。因为这些特点，氢气作为各种临床应用的治疗气体具有巨大潜力。Zhang等人设计了一种独特的四足针状纳米酶PdH，专门用于有效治疗动脉粥样硬化。这种纳米酶通过结合多种治疗机制，包括清除活性氧物种（ROS）、氢气抗炎和自噬激活，发挥协同效应。这些联合效应有助于增强动脉粥样硬化治疗的功效。He等人开发了一种Z型SnS1.68-WO2.41纳米催化剂，通过近红外光催化产生氧化孔和氢分子。氢分子和谷胱甘肽的消耗有效地破坏了癌细胞中的生产，并分别扰乱了肿瘤内氧化还原平衡。这些联合作用协同导致DNA损伤和诱导肿瘤细胞凋亡。然而，关于氢气的ROS清除和抗炎作用的研究仅限于光催化领域，大大限制了进一步发展。

在本研究中，我们通过水热合成法合成了中间体Co(OH)2-Co(OH)F/Ti，随后在450°C下进行硒保护处理；观察到中间体呈珠状。由于“珠链”结构在不同pH值下出色的产氢性能，例如Co9Se8微球，我们研究了Co9Se8的不同潜在应用的电化学性能：出色的整体水分解性能、有效降低ROS水平以及显著抑制炎症。在此，Co9Se8/Ti已用于在碱性条件下进行整体水分解，表现出卓越的催化性能，即低过电势（10 mA cm−2时的1.44 V）和超高稳定性（120.0小时）。Co9Se8的出色整体水分解性能可归因于两个因素。Co9Se8的独特结构促成了阴极反应中优异的氢气演化性能。在阳极反应中，重构的薄层Co(OH)2在Co9Se8上作为固有活性位点，显著降低了O到OOH转化的速率决定步骤所需的能量障碍。此外，在中性条件（pH 7.4）下，Co9Se8中的Co位点与Pt位点相比展现出更优的吸附/解吸行为，从而导致出色的产氢性能。电催化产生的氢气对细胞展现出非凡的抗炎和ROS清除效果。

研究结论

本研究使用了一种简单且环保的方法合成了Co9Se8/Ti。值得注意的是，所合成的Co9Se8/Ti在水分解、活性氧清除和抗炎氢气应用方面表现出了优异的性能。在中性条件下，其独特的结构和稳定的催化位点使Co9Se8成为一种多功能的电催化材料，适用于不同的pH值，使其能够成功应用于水分解和氢气介导的抗炎过程。此外，Co9Se8/Ti电极产生的氢气的活性氧清除能力主要取决于材料本身。所设计的材料需要满足三个条件：（1）具有出色的中性电催化活性，这意味着它可以在低电压下产生一定量的氢气。当材料在高电压下产生氢气时，培养基中的细胞活性将显著降低。（2）良好的细胞相容性确保细胞保持有利的活跃状态。（3）出色的催化稳定性确保了氢气的持续供应，以持续治疗应用。这项研究不仅为设计在不同pH水平下高效产氢的电催化材料提供了一个例子，而且还丰富了我们对电催化在进一步工业和临床应用中的理解。