【摘 要】
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纳米酶是指具有模拟天然酶催化功能的纳米材料。与天然酶相比,纳米酶具有制备简单,组成结构易调控,价格低廉,温度和pH稳定性高等优点,且继承了纳米材料本身的光、电、磁学性能,因此成为化学、生物、环境交叉学科的研究热点。单原子催化剂(single-atom catalyst,SAC)是指孤立的单个原子分散在载体上的催化剂。单原子催化剂的活性中心为单个原子,与传统的纳米催化剂相比,具有高活性、选择性和稳定
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纳米酶是指具有模拟天然酶催化功能的纳米材料。与天然酶相比,纳米酶具有制备简单,组成结构易调控,价格低廉,温度和pH稳定性高等优点,且继承了纳米材料本身的光、电、磁学性能,因此成为化学、生物、环境交叉学科的研究热点。单原子催化剂（single-atom catalyst,SAC）是指孤立的单个原子分散在载体上的催化剂。单原子催化剂的活性中心为单个原子,与传统的纳米催化剂相比,具有高活性、选择性和稳定性的优点且最大化了原子利用率。具有模拟天然酶活性的单原子催化剂被称为单原子纳米酶（single-atom nanozyme,SAN）。虽然关于单原子纳米酶的合成和应用的报道已经有很多,但对其微观结构的准确表征和原子水平的催化机理的研究仍不充分,这阻碍了其构效关系的建立和材料的理性设计。本文以单原子纳米酶的代表,即Fe单原子分散在掺杂N的碳载体上的单原子催化剂Fe-N-C,作为研究对象,用理论计算的方法系统地研究了Fe-N-C模拟四类氧化还原酶,即氧化酶,过氧化物酶,过氧化氢酶以及超氧化物歧化酶活性的分子机理。研究结果可为Fe-N-C纳米酶的理性设计、优化和筛选提供新思路。本论文的主要研究内容和结果包括以下三个部分。（1）对Fe-Nx-C（x=1–4）的团簇结构和周期性结构进行几何优化,找到其能量最低的结构,并对其进行电子结构和理化性质的分析并评估了Fe-Nx-C（x=1–4）的热力学和动力学稳定性。研究结果表明,Fe-Nx-C（x=1–4）与天然存在的且具有相似结构的铁卟啉具有相当的动力学稳定性。（2）以Fe-N4-C结构为代表探究了四种氧化还原酶的反应机理。结果表明Fe-N4-C具有类过氧化氢酶、过氧化物酶、SOD酶活性。（3）以Fe-N4-C结构四种氧化还原酶的反应机理为基础,探究了Fe-N1-3-C是否具有类酶活性。结果表明,具有类过氧化物酶活性的是:Fe-N1-C;具有类超氧化物歧化酶活性的是:Fe-N1-3-C;Fe-N1-3-C均不具有类过氧化氢酶和类氧化酶活性。
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