采用超临界二氧化碳反溶剂微粉化工艺（结合旋流混合器）制备Pt/CeO2纳米颗粒，用于基于TMB氧化的比色法葡萄糖传感技术

《Chemical Engineering Journal Advances》：Preparation of Pt/CeO2 nanoparticles by supercritical CO2 antisolvent micronization process using swirl mixer for colorimetric glucose sensing based on TMB oxidation

　　艾雅·马纳贝 | 李竹 | 韦涛 | 李梅 | 山本哲也
日本名古屋大学化学系统工程系，千种，名古屋464-8603

**摘要**
含有铂的贵金属纳米颗粒作为高性能催化剂正受到广泛关注。然而，传统的液相还原方法会产生大量废液，从而对环境造成重大负担。为了解决这一问题并探索制造贵金属负载纳米颗粒的更可持续途径，本研究采用了超临界流体增强的分散技术，为其应用奠定了基础。首先，使用Pt/CeO2纳米颗粒来验证所提出方法的基本概念，并证实了这种环保工艺的有效性，该工艺利用旋风混合器实现了基于超临界流体的溶液增强分散。前驱体溶液由三乙酰乙酮酸铈（C15H23CeO7）水合物、聚乙烯吡咯烷酮和六水合六氯铂（IV）（H2PtCl6·6H2O）溶解在乙醇中制成，然后在旋风混合器中与超临界CO2混合。通过快速过饱和作用形成前驱体纳米颗粒，随后在空气中进行热处理。场发射扫描电子显微镜观察发现颗粒尺寸为14–16纳米。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱确认了聚乙烯吡咯烷酮通过热解完全去除。此外，X射线衍射和元素分析显示CeO2纳米颗粒表面存在局部铂聚集，这可能是由于残留的Pt2+的影响。紫外-可见光测量表明这些纳米颗粒具有类似过氧化物酶的氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺的能力。利用3,3′,5,5′-四甲基联苯胺氧化的比色检测方法，葡萄糖传感器的检测限为8.20 μM，在100–500 μM的线性范围内表现优于传统的Pt/CeO2纳米颗粒。总体而言，本研究表明基于超临界流体的工艺可以用于制造Pt/CeO2纳米颗粒，为设计高性能贵金属负载催化剂提供了一个环保平台。

**1. 引言**
贵金属具有优异的催化性能，尤其是铂，因其在水的各种催化反应中表现出高活性而被广泛应用。然而，由于其稀缺性和高成本，需要采取措施减少其消耗并提高利用率。已知CeO2具有较高的氧储存能力和氧化还原能力，与铂结合使用时可产生协同催化效应[1,2]。将多种贵金属合金化为成分均匀的纳米颗粒也是提高催化性能和降低贵金属含量的有效方法[3,4]。然而，由于原子尺寸不匹配和不同元素之间的混合焓不利，形成均匀的固溶体合金纳米颗粒仍是一项挑战[3,4]。

解决这些挑战的一种有前景的方法是在液相系统中进行非平衡化学还原来制备合金纳米颗粒。2022年，吴等人报道了一种非平衡化学还原方法，其中含有多种贵金属盐的水溶液被转化为细小液滴，并立即引入加热到足够温度的三乙烯二醇中作为还原介质[5]。该方法通过液滴微细化显著增加了反应表面积，金属离子在引入后立即被还原，从而最大限度地减少了不同金属物种之间的反应时间和速率差异。研究结果显示形成了类非晶态的纳米合金，其中八种贵金属（Au、Ag、Pt、Pd、Rh、Ir、Ru和Os）均匀混合。然而，在这种非平衡化学还原方法中，必须将金属盐溶液转化为细小液滴，因此合成过程中需要使用过量的还原剂溶液，导致产生大量废液，增加了环境负担。另一种局限性在于反应发生在液相中，此时反应区域粘度高且扩散系数低，这些物理性质阻碍了不同金属离子的均匀混合，使得液滴形成步骤不可或缺。换句话说，液相反应需要大量的还原剂溶液，从根本上导致了大量废液的产生。

作为一种减少还原剂消耗的策略，超临界CO2（SCCO2）作为一种绿色溶剂被研究作为替代介质。SCCO2是一种低极性溶剂，其密度与液体相当，同时具有气体般的低粘度和高扩散性[6]，[7]，[8]。此外，超临界条件在相对较低的温度（31.1°C）和压力（7.38 MPa）下即可实现，其无毒性和最小的环境影响使其能够在食品和制药领域得到应用[9]，[10]，[11]，[12]，[13]。由于SCCO2在常温和常压下为气体，它可以容易地与产物分离，从而提高了工艺效率并减少了环境影响。

超临界反溶剂（SAS）工艺是一种广泛使用的颗粒制备技术，利用SCCO2实现[14]。Kang等人在最佳SAS条件下成功制备了平均粒径为30纳米的Pt/CeO2纳米颗粒：压力150巴，温度35°C，SCCO2流速35克每分钟，三乙酰乙酮酸铈（Ce(acac)3）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）/六水合六氯铂（IV）（H2PtCl6·6H2O）溶液注射速率0.50毫升每分钟，Ce(acac)3/PVP/H2PtCl6·6H2O比例为80:16:16（毫克每毫克），乙醇体积20毫升[14]。他们进一步证明注射速率对平均粒径影响最大，其次是反应温度，而反应压力影响最小[14]，[15]，[16]。然而，在SAS工艺中，溶液和SCCO2的混合通过液滴形成进行，这限制了混合速率并导致粒径分布较宽。为克服这些局限性，1999年首次引入了超临界流体增强分散（SEDS）技术用于聚合物纳米颗粒的制备[17]。在SEDS工艺中，同轴喷嘴同时雾化溶液和SCCO2，实现了溶液的精细分散和与SCCO2的快速混合，从而提高了粒径均匀性，并有望抑制团聚现象。此外，由于SEDS工艺适用于多种溶液浓度和溶剂系统，因此在最近的研究中广泛用于生产包括药物、天然化合物和生物聚合物在内的各种材料的颗粒[18]，[19]，[20]，[21]，[22]。

先前的研究显示，大多数金属acac配合物在SCCO2中的溶解度很低（1 × 10^-6至1 × 10^-3摩尔每摩尔）[23]，[24]，[25]。因此，SCCO2可用作反溶剂，促进快速沉淀和微细化。尽管有一些成功的案例（例如将黄芪苷封装到金属-有机框架ZIF-8中，以及使用1,1,1,5,5-六氟乙酰乙酮配合物制备金属-有机框架），但尚未有研究尝试使用SEDS工艺制备金属acac配合物纳米颗粒或通过这种方法制备贵金属合金纳米颗粒[26,27]。

本研究的目的是通过应用SEDS工艺结合SCCO2来建立一种绿色合成方法，以避免液相还原，精确设计金属-有机复合体制备贵金属合金纳米颗粒。此外，利用SCCO2的高扩散性、低粘度和反溶剂效应，在喷嘴处使用旋风混合器实现前驱体溶液与SCCO2的快速均匀混合。旋风混合器具有分叉的子流通道，以60°的倾斜角度与主流通道连接，在混合器内部产生旋流。由于惯性力不仅沿轴向作用，还在旋流产生点处沿周向作用，因此混合性能得到提升[28]，[29]，[30]。此外，混合流体持续旋动，减少了停滞的可能性。川崎等人使用直径为0.5毫米的微旋流混合器通过连续超临界水热法制备了平均粒径为20纳米的NiO纳米颗粒[31]。这种方法有望在前驱体阶段实现多种金属元素的均匀分散。在传统的SAS工艺中，混合依赖于液滴形成，导致粒径分布广泛且前驱体均匀性差[14]。尽管川崎等人在水系统中展示了旋风混合器的优越混合性能[31]，但尚未将其应用于使用金属-有机复合体和SCCO2的前驱体。通过结合SEDS工艺和旋风混合器，本研究提供了一种高效生产均匀贵金属合金纳米颗粒的新方法，同时减少环境影响，体现了创新性和时效性。为了验证这一概念，首先使用Ce(acac)3和PVP通过配备旋风混合器的SEDS工艺制备PVP包覆的Ce(acac)3纳米颗粒，并研究了PVP含量对粒径和形貌的影响。PVP作为粘合剂，在前驱体阶段促进金属成分的均匀分散[32]，[33]，[34]。此外，PVP的稳定作用在SEDS过程中抑制了团聚，从而实现了更均匀的成核和颗粒形成。所得前驱体经热处理后制备成CeO2纳米颗粒，评估其表面形貌、粒径、晶体结构、元素价态和类似过氧化物酶的活性，以确定最佳的PVP组成。基于对所得CeO2纳米颗粒的评估，本研究旨在合成负载铂的纳米颗粒，并将其应用于实际的葡萄糖检测。

人体需要糖作为主要能量来源，以确保组织和器官的正常功能。因此，准确评估葡萄糖水平对于理解、诊断和管理代谢紊乱（包括糖尿病）至关重要。尽管电化学葡萄糖传感器在临床实践中被广泛使用[35,36]，但基于酶的比色传感器也引起了关注，因为它们能够选择性响应葡萄糖，并根据产生的颜色强度定量测定葡萄糖浓度[37]，[38]，[39]，[40]。

在此背景下，利用基于CeO2的纳米酶的葡萄糖传感器研究日益增多。例如，Ge和Lu等人的研究报道了利用CeO2基材料的优异氧化催化性能实现了高灵敏度的比色和电化学葡萄糖检测[41]，[42]。这些研究强调了CeO2的氧化还原特性和界面结构设计的重要性，为本研究中开发的Pt/CeO2纳米酶提供了重要背景。CeO2因其可逆的Ce3+/Ce4+氧化还原循环和产生氧空位的能力而表现出高催化活性[43]，[44]。为了进一步增强这一特性，精确控制贵金属的界面结构至关重要。特别是铂与氧空位的强烈相互作用促进了参与类似过氧化物酶活性和氧化反应的活性物种的形成[45]，[46]。因此，在本研究中，使用相同的SEDS方法制备了含有Ce(acac)3和H2PtCl6·6H2O的PVP包覆前驱体，随后进行单次热处理形成Pt/CeO2纳米颗粒。另外，建立了基于3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化反应的比色检测方法，并将所得Pt/CeO2纳米颗粒的类似过氧化物酶的催化活性和葡萄糖检测性能与先前报道的纳米酶进行了比较。

**2. 材料与方法**
2.1. 材料
Ce(acac)3和PVP（分子量=55,000）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。H2PtCl6·6H2O、乙醇、乙酸、醋酸钠、30%过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶（GOx，150–250单位每毫克）、D(-)-果糖、D(+)-半乳糖、D(+)-甘露糖、L(+)-抗坏血酸、尿酸和磷酸盐缓冲液（0.1摩尔每升，pH 6.0）购自FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation（日本大阪）。TMB购自Dojindo Laboratories（日本熊本），对乙酰氨基酚购自Cayman Chemical（美国密歇根州安娜堡）。液化CO2（纯度>99.5%）由Marukyo Sanso Co. Ltd.（日本静冈）提供。除非另有说明，所有试剂均为分析纯级，直接使用无需进一步分离或纯化。百分比以质量分数表示。

2.2. SEDS工艺
2.2.1. Ce(acac)3@PVP纳米颗粒
按照表S1中的条件，将Ce(acac)3和PVP溶解在30毫升乙醇中制备四种样品溶液，搅拌至获得均匀溶液[14]。使用CO2泵（PU-4380，JASCO Corporation，日本东京）将液化CO2冷却至-4至-10°C，流速设置为10毫升每分钟，对应于设备的最大容量。样品溶液通过液体输送泵（LC-6AD，岛津公司，京都，日本）以恒定流量0.50 mL min?1输送[14]。所有实验均重复三次进行，颗粒大小的标准偏差是基于每个样品至少500个颗粒计算得出的。使用恒温干燥箱（NDO-401，东京理化学会株式会社，东京，日本）将操作温度维持在35°C，同时通过背压调节器（HPB-250，AKICO，东京，日本）将操作压力调节至15 MPa[14]。在这些条件下，液化CO2转化为SCCO2。随后，使用旋流混合器（四方向旋流混合器，4-1/16YSM-0.8-0.5-S；主流通道：0.8 mm；子流通道：0.5 mm；Sugiyama Shoji株式会社，神奈川，日本）有效地将样品溶液与SCCO2混合，从而制备出Ce(acac)3@PVP颗粒。所得颗粒通过一个0.5 μm的T型颗粒过滤器（SS-2TF-05，Swagelok，俄亥俄州，美国）收集，该过滤器通过一根长度为4米的1/16英寸SUS-316管连接。CO2和乙醇通过背压调节器进行减压处理去除。未被过滤器捕获的颗粒收集在充满水的容器中，以防止其分散到空气中。颗粒收集步骤的可重复性通过三次重复实验得到了验证。

2.2.2. Ce(acac)3–H2PtCl6·6H2O@PVP纳米颗粒
本实验中使用的操作条件和设备与制备Ce(acac)3@PVP纳米颗粒时相同。通过将Ce(acac)3、PVP和H2PtCl6·6H2O溶解在30 mL乙醇中，并搅拌至获得均匀溶液来制备四个样品溶液[14]。每个样品的详细条件总结在表1中。所有实验均重复三次进行，如2.2.1节（方案1）所述，确保了颗粒收集步骤的可重复性。
表1. Ce(acac)3/ PVP/ H2PtCl6?6H2O/乙醇样品溶液的组成。
样品 Ce(acac)3 (mg) H2PtCl6?6H2O (mg) PVP (mg) EtOH (mL)
Pt/CeO2-12 120 120 24 30
Pt/CeO2-18 120 18 24 30
Pt/CeO2-24 120 24 24 30
Pt/CeO2-30 120 30 24 30

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方案1. 超临界溶液增强分散过程的装置示意图

2.3. CeO2和Pt/CeO2纳米颗粒的制备
CeO2和Pt/CeO2纳米颗粒是通过使用紧凑型电炉（mini-BS Ⅰ Black，Nitto Kagaku株式会社，爱知，日本）对每种前驱体进行单步热处理制备的。虽然CeO2可以在500°C以上的温度下稳定获得，但即使在600°C时，PVP也不能完全去除[14, [47], [48], [49], [50]]。因此，在本研究中，热处理温度设定为700°C并保持2小时，然后自然冷却。选择这个温度是为了确保完全去除PVP，同时保持Pt/CeO2纳米颗粒的结晶性和结构稳定性。

2.4. 特性分析
实验过程中制备的前驱体纳米颗粒以及热处理后的产物的形貌使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM；JSM-7500F，JEOL有限公司，东京，日本）和配备能量分散X射线光谱仪（EDS）的透射电子显微镜（JEM-2100Plus，JEOL有限公司，东京，日本）进行了检测。纳米颗粒的表面官能团通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）（Spectrum Two，PerkinElmer Japan株式会社，神奈川，日本）进行分析。晶体结构和晶体学平面使用X射线衍射（XRD；SmartLab粉末衍射仪，Rigaku Corporation，东京，日本）进行表征，测量范围为2θ 5–80°，扫描速率为2° min?1。材料的元素组成和价态使用X射线光电子光谱（XPS；ULVAC-PHI公司，神奈川，日本）进行评估。吸光度的变化使用紫外-可见光谱仪（V-550和V-750；JASCO公司，东京，日本）进行测量。

2.5. 过氧化物酶样活性的评估
通过TMB氧化反应评估制备的CeO2和Pt/CeO2纳米颗粒的过氧化物酶样催化活性。在此反应中，TMB在H2O2和过氧化物酶样催化剂的存在下从无色氧化为蓝色。当通过添加过量的H2O2或强酸终止反应时，溶液会变成黄色[51,52]。在本研究中，利用比色反应定量纳米颗粒的催化活性和动力学性质。对于活性测量，向石英比色皿中加入2 mL HAc-NaAc缓冲液（pH 3.5）、1 mL H2O2（30%）、0.5 mL 1.2 mM TMB的乙醇溶液以及100 μL材料分散液（2 mg/mL），然后搅拌并孵育2分钟。接着使用紫外-可见光谱仪在200–800 nm范围内记录吸光度，并比较每种材料在652 nm处的吸光度——该波长对应于氧化后的蓝色物质。为了确定过氧化物酶样活性的最佳条件，分别在pH 3.0、3.5、4.0、4.5和5.0下研究了pH的影响，并在pH 3.5时评估了反应温度在25、30、35、40、45和50°C下的影响。此外，还独立研究了TMB和H2O2浓度的依赖性进行动力学分析。在TMB的稳态动力学实验中，固定H2O2浓度，同时改变TMB浓度，分别为0.1、0.2、0.4、0.6和1.0 mM。相反，在改变H2O2浓度的实验中，固定TMB浓度，同时将H2O2浓度调整到1、2、4、6和10 mM。在这些计算中，使用了TMB的消光系数（3.9 × 104 M?1 cm?1）[53]。最后，使用上述方法比较了不同初始材料质量比制备的CeO2和Pt/CeO2纳米酶的过氧化物酶样催化活性和动力学行为，并评估了这些材料在各种条件下的催化性能。

2.6. 葡萄糖传感器的活性评估
在本研究中，基于Pt/CeO2纳米酶的过氧化物酶样活性构建了一种比色葡萄糖传感器。首先，使用Pt/CeO2纳米颗粒作为催化剂，在GOx存在的情况下将葡萄糖与氧气氧化，生成葡萄糖酸和H2O2。生成的H2O2随后驱动由Pt/CeO2纳米颗粒催化的TMB氧化反应。这些连续反应被视为一个连续检测过程，可以根据氧化后的TMB（oxTMB）的吸光度来定量溶液中的葡萄糖浓度。葡萄糖传感器检测系统是通过混合2 mL HAc-NaAc缓冲液（pH 3.5）、0.5 mL 1.2 mM TMB的乙醇溶液、0.1 mL不同浓度（0.1、0.2、0.3、0.4和0.5 mM）的葡萄糖-磷酸盐缓冲液、20 μL GOx溶液（1000 U/mL）和20 μL Pt/CeO2分散液（2 mg/mL）制备的。将反应混合物保持在最佳温度下20分钟后，使用紫外-可见光谱仪在300–800 nm范围内记录吸光度。每个葡萄糖浓度重复三次（n = 3），并计算平均值±标准偏差。通过绘制652 nm处的平均值与葡萄糖浓度之间的关系绘制校准曲线。然后进行线性回归以确定斜率和决定系数。使用公式LOD = 3σ/slope计算检测限（LOD），其中σ是十个连续测量空白样品的标准偏差。从该校准曲线中获得葡萄糖检测的线性范围。在选择性评估中，用D(?)-果糖、D(+)-半乳糖、D(+)-甘露糖、L(+)-抗坏血酸和对乙酰氨基酚替换了检测底物。此外，为了评估稳定性，将相同样品储存7天，并检查相对葡萄糖检测活性的变化。

3. 结果与讨论
3.1. Ce(acac)3@PVP和CeO2纳米颗粒的特性分析
Ce(acac)3@PVP纳米颗粒以不同的质量比（1:0、10:1、5:1和1:1）制备，其表面形貌通过FE-SEM（图1a–d）进行了检测。相应的颗粒大小分布显示在图S1中。颗粒大小是通过测量每个样品的FE-SEM图像中的大约500个单个颗粒来确定的。尽管所有质量比的前驱体纳米颗粒都成功制备出来了，但在每种情况下都观察到了初级颗粒的聚集。对于1:0、10:1和5:1的质量比，平均颗粒大小在测量误差范围内相当，都在大约25–35 nm的范围内。相比之下，1:1的比例导致形成了许多大颗粒。

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图1. 以不同质量比（1:0、10:1、5:1和1:1）制备的前驱体Ce(acac)3@PVP纳米颗粒的形貌和结构表征。(a–d) FE-SEM图像；(e) XRD图谱；(f) FT-IR光谱。
这种行为归因于高PVP含量导致的溶液粘度增加，这降低了SCCO2进入溶液的扩散速率，从而延迟了过饱和现象的发生[16]。结果，成核频率降低，溶质优先供应给有限的几个核心，从而促进了颗粒的生长。在XRD图谱（图1e）中，所有前驱体纳米颗粒都观察到大约2θ = 28.4°的衍射峰。虽然最初认为这个峰是由样品的内在结构引起的，但也考虑了基底的可能贡献；因此，还单独测量了Si样品板。结果显示大约2θ = 28.4°、47.4°和56.3°的衍射峰，分别对应于Si(111)、Si(220)和Si(311)，这与标准Si (PDF#27–402)一致。因此，前驱体纳米颗粒中观察到的峰归因于Si(111)。除了这个基底衍生的峰之外，没有检测到其他明显的衍射峰。这些结果表明Ce(acac)3@PVP前驱体纳米颗粒具有非晶结构。FT-IR分析（图1f）在含PVP的条件下（10:1、5:1和1:1）显示了PVP的特征吸收带，即C=O伸缩（1655 cm?1）、CN伸缩（1284 cm?1）和NC=O弯曲振动（570 cm?1），证实了PVP涂覆在前驱体纳米颗粒的表面[54,55]。这些特征吸收带对应的官能团在表2中总结。相比之下，在不含PVP的情况下（1:0）没有检测到这些带。此外，随着PVP含量的增加，C=O伸缩、CN伸缩和NC=O弯曲带的强度增加，反映了纳米颗粒表面PVP涂层的增加。然而，在低PVP含量的样品中未检测到某些吸收带，表明FT-IR光谱的灵敏度存在局限性。

表2. 以不同质量比（1:0、10:1、5:1和1:1）制备的PVP和Ce(acac)3@PVP纳米颗粒的FT-IR光谱数据。
| 带号 | 波数 (cm?1) | 带分配 |
|-------------------|-------------------|-----------------------------|
| | | |
| 1344 | 8 | OH伸缩 | 所有样品 [54] |
| 2294 | 8 | 不对称或对称 CH2伸缩 | PVP-Ce(acac)3@PVP(1:1) [54,55] |
| 3165 | 5 | C=O伸缩 | PVP-Ce(acac)3@PVP(10:1, 5:1, 1:1) [54,55] |
| | | |
| 4142 | 20 | CH2摆动 | PVP-Ce(acac)3@PVP(5:1, 1:1) [54,55] |
| | | |
| 5137 | 2 | CH2摆动 | PVP-Ce(acac)3@PVP(5:1, 1:1) [54,55] |
| | | |
| 6128 | 4 | CH2摆动 | PVP-Ce(acac)3@PVP(10:1, 5:1, 1:1) [54,55] |
| | | |
| 7843 | 3 | CH2摆动 | PVP-Ce(acac)3@PVP(10:1, 5:1, 1:1) [54,55] |
| | | |
| 8570 | 3 | NC=O弯曲 | PVP-Ce(acac)3@PVP(10:1, 5:1, 1:1) [55] |

通过在空气中700°C下热处理2小时，使用FE-SEM（图2a–d）检查了四种类型前驱体纳米颗粒制备的CeO2纳米颗粒的表面形貌，相应的颗粒大小分布显示在图S2中。确认所有质量比都形成了CeO2纳米颗粒。然而，像前驱体一样，在每种情况下都观察到了初级颗粒的聚集。

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图2. CeO2纳米颗粒的形貌和结构表征。(a) CeO2 (1:0)，(b) CeO2 (10:1)，(c) CeO2 (5:1)，(d) CeO2 (1:1)的FE-SEM图像；(e) CeO2 (5:1)的HAADF-STEM图像及其对应的EDS映射(f) Ce和(g) O；(h) XRD图谱。
对颗粒大小分布的分析显示，CeO2 (1:0)、CeO2 (10:1)和CeO2 (5:1)的平均颗粒大小在测量误差范围内基本相同，都在24–30 nm的范围内，表明与热处理后的相应前驱体相比颗粒大小减小。这种减小可能是由于前驱体颗粒包含有机成分，其密度相对较低。在热处理过程中，这些有机成分发生燃烧和分解，导致颗粒整体收缩以及分散在颗粒内的CeO2纳米晶体的分离和重组。因此，相对于前驱体，形成了更细的CeO?颗粒。此外，随着PVP含量的增加，平均颗粒大小逐渐增大。相比之下，CeO2 (1:1)产生了许多大颗粒，类似于Ce(acac)3@PVP (1:1)。这种行为归因于热处理过程中缺乏成核或再沉淀等机制，导致保持了较大的前驱体结构。此外，高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和EDS映射（图2e–g）确认所得产物由Ce和O组成。XRD图谱（图2h）显示在大约2θ = 28.7°、33.1°、47.5°、56.4°、59.0°、69.4°、76.7°和79.2°处有尖锐的衍射峰，分别对应于CeO2（111）、CeO2（200）、CeO2（220）、CeO2（311）、CeO2（222）、CeO2（400）、CeO2（331）和CeO2（420），这与标准CeO2（PDF#75–0120）的衍射峰一致。使用Scherrer方程估计的晶体尺寸总结在表S2中。没有检测到杂质峰，表明通过热处理非晶态Ce(acac)3@PVP前驱体成功制备出了晶态CeO2纳米颗粒。进一步评估了材料的表面化学性质。XPS全谱分析（图S3a）显示了对应于Ce 3d、O 1s、C 1s、O KLL、Ce MNN、Ce 4p、Ce 4d和O 2s的峰，证实制备的样品由高纯度的CeO2纳米颗粒组成[57]。CeO2（1:0）和CeO2（10:1）的Ce 3d谱（图3a），以及CeO2（5:1）和CeO2（1:1）的Ce 3d谱（图3b）显示了两组峰（u和v），这些峰来源于自旋-轨道耦合。具体来说，v0、v、vi和vii归属于Ce 3d5/2，而viii、u0、u、ui、uii和uiiii归属于Ce 3d3/2[58]。其中六个峰（v、vii、viii、u、uii和uiiii）对应于Ce4+，其余四个峰（v0、vi、u0、ui）对应于Ce3+，表明存在Ce4+和Ce3+两种离子。这种混合价态与氧空位的形成密切相关。当一部分Ce4+被还原为Ce3+时，晶格中的氧被释放出来以补偿价态变化带来的电荷不平衡，从而产生氧空位并形成CeO2-x缺陷结构[59]。

XRD图谱（图2h）显示在大约2θ = 28.7°、33.1°、47.5°、56.4°、59.0°、69.4°、76.7°和79.2°处有尖锐的衍射峰，分别对应于CeO2的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）、（331）和（420）晶面，这与标准CeO2的PDF#75–0120光盘谱一致。利用Scherrer方程估算的晶体尺寸汇总在表S2中。未检测到杂质峰，表明通过热处理非晶态Ce(acac)3@PVP前驱体成功制备出了晶态CeO2纳米颗粒。进一步对材料的表面化学性质进行了评估。XPS全谱分析（图S3a）显示了Ce 3d、O 1s、C 1s、O KLL、Ce MNN、Ce 4p、Ce 4d和O 2s的峰，证实制备的样品由高纯度的CeO2纳米颗粒组成[57]。CeO2（1:0）和CeO2（10:1）的Ce 3d谱（图3a），以及CeO2（5:1）和CeO2（1:1）的Ce 3d谱（图3b）显示了两组峰（u和v），这些峰来源于自旋-轨道耦合。具体而言，v0、v、vi和vii归属于Ce 3d5/2，而viii、u0、u、ui、uii和uiiii归属于Ce 3d3/2[58]。其中六个峰（v、vii、viii、u、uii和uiiii）对应于Ce4+，其余四个峰（v0、vi、u0、ui）对应于Ce3+，表明存在Ce4+和Ce3+两种离子。这种混合价态与氧空位的形成密切相关。当一部分Ce4+被还原为Ce3+时，晶格中的氧被释放出来以补偿价态变化带来的电荷不平衡，从而产生氧空位并形成CeO2-x缺陷结构[59]。

此外，从Ce 3d谱的峰面积比可以半定量地估计Ce3+与Ce4+的相对比例。CeO2（5:1）的Ce3+比例最高（27.8%），这表明该样品含有最多的氧空位（表3）。表3显示了不同质量比（1:0、10:1、5:1和1:1）下制备的CeO2中Ce3+和Ce4+的比例。CeO2（1:0）的Ce3+比例为16.7%，CeO2（10:1）为17.0%，CeO2（5:1）为27.8%，CeO2（1:1）为22.3%。

CeO2（1:0）和CeO2（10:1）的O 1s谱（图S3b）以及CeO2（5:1）和CeO2（1:1）的O 1s谱（图S3c）在529 eV附近显示一个峰，对应于晶格氧；而在531–532 eV处的成分主要来源于表面吸附的物质，如羟基，而不是直接反映氧空位[60]。值得注意的是，CeO2（5:1）在531–532 eV处的强度最低（表S3），表明该样品的表面吸附物质较少。CeO2（1:0）和CeO2（10:1）的C 1s谱（图S3d），以及CeO2（5:1）和CeO2（1:1）的C 1s谱（图S3e）在约285 eV处显示出峰，这归因于碳碳键（CC bond）；在约289 eV处显示的峰归因于碳酸根化合物[61]。没有观察到其他主要峰，也未检测到与PVP相关的C=O、CN或NC=O键的信号。

FT-IR分析（图3c）显示所有CeO2样品中均存在OH弯曲（1631 cm?1）、CH伸缩（1548 cm?1）、CO伸缩（1340和1065 cm?1）和CeO振动（713 cm?1）的吸收带[62, 63, 64]。与这些特征吸收带相关的官能团在表4中有总结。CH伸缩带归因于颗粒表面的残留杂质，而CO伸缩带可能来源于吸附的CO2与表面之间的反应形成的碳酸根化合物，这与C 1s谱中观察到的碳酸根峰一致。众所周知，纳米级CeO2颗粒具有高比表面积，在常温条件下容易吸附CO2，在其表面形成碳酸根层[65,66]。因此，鉴于本研究中获得的CeO2纳米颗粒的比表面积约为33.3 m2/g，它们预计会通过类似机制吸附CO2并在其表面形成碳酸根层。

XRD图谱（图2h）显示，在大约2θ = 28.7°、33.1°、47.5°、56.4°、59.0°、69.4°、76.7°和79.2°处有尖锐的衍射峰，分别对应于CeO2的（111）、（200）、（220）、（311）、（222）、（400）、（331）和（420）晶面，这与标准CeO2的光谱一致。利用Scherrer方程估算的晶体尺寸总结在表S2中。未检测到杂质峰，表明通过热处理非晶态Ce(acac)3@PVP前驱体成功制备出了晶态CeO2纳米颗粒。进一步评估了材料的表面化学性质。XPS全谱分析（图S3a）显示了Ce 3d、O 1s、C 1s、O KLL、Ce MNN、Ce 4p、Ce 4d和O 2s的峰，证实制备的样品由高纯度的CeO2纳米颗粒组成[57]。CeO2（1:0）和CeO2（10:1）的Ce 3d谱（图3a），以及CeO2（5:1）和CeO2（1:1）的Ce 3d谱（图3b）显示了两组峰（u和v），这些峰来源于自旋-轨道耦合。具体来说，v0、v、vi和vii归属于Ce 3d5/2，而viii、u0、u、ui、uii和uiiii归属于Ce 3d3/2[58]。其中六个峰（v、vii、viii、u、uii和uiiii）对应于Ce4+，其余四个峰（v0、vi、u0、ui）对应于Ce3+，表明存在Ce4+和Ce3+两种离子。这种混合价态与氧空位的形成密切相关。当一部分Ce4+被还原为Ce3+时，晶格中的氧被释放出来以补偿价态变化带来的电荷不平衡，从而产生氧空位并形成CeO2-x缺陷结构[59]。

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图3. CeO2样品的物理化学表征。
- Ce 3d的XPS光谱：(a) CeO2（1:0）和CeO2（10:1）；(b) CeO2（5:1）和CeO2（1:1）；(c) FT-IR光谱；(d) CeO2样品的类过氧化物酶催化活性比较。

此外，从Ce 3d光谱的峰面积比可以半定量地估计Ce3+与Ce4+的相对比例。CeO2（5:1）的Ce3+比例最高（27.8%），表明该样品含有最多的氧空位（表3）。

表3. 不同质量比（1:0、10:1、5:1和1:1）下制备的CeO2中Ce3+和Ce4+的比例。
样品 Ce3+ / (Ce3++ Ce4+) %
CeO2（1:0） 16.7
CeO2（10:1） 17.0
CeO2（5:1） 27.8
CeO2（1:1） 22.3

CeO2（1:0）和CeO2（10:1）的O 1s谱（图S3b），以及CeO2（5:1）和CeO2（1:1）的O 1s谱（图S3c）在529 eV附近显示一个峰，对应于晶格氧；而在531–532 eV处的成分主要来源于表面吸附的物质，如羟基，而不是直接反映氧空位[60]。值得注意的是，CeO2（5:1）在531–532 eV处的强度最低（表S3），表明该样品的表面吸附物质较少。CeO2（1:0）和CeO2（10:1）的C 1s谱（图S3d），以及CeO2（5:1）和CeO2（1:1）的C 1s谱（图S3e）在约285 eV处显示出峰，这归因于碳碳键（CC bond）；在约289 eV处显示出峰，这归因于碳酸根化合物[61]。未观察到其他主要峰，也未检测到与PVP相关的C=O、CN或NC=O键的信号。

FT-IR分析（图3c）显示所有CeO2样品中均存在OH弯曲（1631 cm?1）、CH伸缩（1548 cm?1）、CO伸缩（1340和1065 cm?1）和CeO振动（713 cm?1）的吸收带[62, 63, 64]。与这些特征吸收带相关的官能团在表4中有总结。CH伸缩带归因于颗粒表面的残留杂质，而CO伸缩带可能是由于吸附的CO2与表面反应形成的碳酸根化合物，这与C 1s谱中观察到的碳酸根峰一致。众所周知，纳米级CeO2颗粒具有高比表面积，在常温条件下容易吸附CO2，在其表面形成碳酸根层[65,66]。因此，鉴于本研究中获得的CeO2纳米颗粒的比表面积约为33.3 m2/g，它们预计会通过类似机制吸附CO2并在其表面形成碳酸根层。

表4. 不同质量比（1:0、10:1、5:1和1:1）下制备的CeO2纳米颗粒的FT-IR光谱数据。
- 波数（cm–1）
- 带分配
- 检测到的峰

此外，在任何CeO2样品中均未观察到典型的PVP特征峰，如C=O和CN伸缩振动，这与C 1s的结果一致。这些发现表明前驱体中的有机成分在热处理过程中几乎完全去除。

使用UV–vis光谱分析了CeO2作为催化材料的类过氧化物酶活性。图S3f显示了CeO2颗粒的存在与否对TMB催化系统吸光度的影响。在含有CeO2颗粒的系统中，反应溶液从无色变为蓝色，并在652 nm附近观察到一个明显的吸收峰。这表明CeO2颗粒起到了类过氧化物酶催化剂的作用，将TMB转化为其氧化形式（oxTMB）。图3d显示了不同质量比下制备的CeO2纳米颗粒催化的TMB系统的UV–vis光谱。相比之下，通过直接热处理Ce(acac)3前驱体制备的CeO2样品的吸光度低于通过SEDS工艺制备的纳米级CeO2样品。这些结果证实，纳米化增强了催化活性。特别是CeO2（5:1）纳米颗粒在所有条件下的吸光度最高，显示出最强的类过氧化物酶活性。

先前的研究表明，CeO2纳米颗粒中Ce3+的比例越高，类过氧化物酶活性越强，且Ce3+与氧空位的形成有关，氧空位作为活性位点[67,68]。CeO2纳米颗粒表面的氧空位作为局部富电子的反应位点。当H2O2被吸收到这些氧空位时，空位的电子增加了H2O2的电子云密度，从而延长了H2O2中的OO键长，最终导致键断裂生成•OH自由基[69,70]。生成的•OH自由基将TMB氧化为oxTMB。

本研究的结果（表3和图3d）与这一趋势一致；因此，我们得出结论，Ce(acac)3和PVP的最佳质量比为5:1。CeO2样品的特性总结如下：通过SEDS工艺获得的纳米颗粒的粒径明显小于未经处理的CeO2颗粒，除了CeO2（1:1）外，其他三种条件下的颗粒尺寸均较为均匀，范围在24至30 nm之间。XRD图谱确认所有样品均保持了CeO2的晶体结构，XPS分析显示存在Ce3+物种。TMB系统的UV–vis光谱显示纳米级CeO2的类过氧化物酶活性增强。值得注意的是，CeO2（5:1）的Ce3+比例最高，吸光度也最高，表明与Ce3+形成相关的氧空位有助于提高催化活性。这些结果表明，CeO2纳米颗粒的结构和催化性质强烈依赖于纳米化以及Ce(acac)3与PVP的质量比。

3.2. Ce(acac)3–H2PtCl6·6H2O@PVP和Pt/CeO2纳米颗粒的表征
Ce(acac)3–H2PtCl6·6H2O@PVP纳米颗粒是在Ce(acac)3与PVP的质量比为5:1的条件下，通过改变添加的H2PtCl6·6H2O的量（12、18、24和30 mg）制备的。使用FE-SEM（图4a–d）检查了它们的表面形态，并在图S4中展示了相应的粒径分布。尽管再次观察到了初级颗粒的聚集，但引入H?PtCl?并未显著影响颗粒的形成，在所有条件下得到的前驱体纳米颗粒的粒径范围较窄（25–27 nm）。

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图4. 不同H2PtCl6·6H2O添加量（12、18、24和30 mg）下制备的Ce(acac)3–H2PtCl6·6H2O@PVP纳米颗粒的形态和结构表征。(a–d) FE-SEM图像；(e) XRD图谱；(f) FT-IR光谱；(g) FT-IR光谱的放大视图。

所有前驱体纳米颗粒的XRD图谱（图4e）在2θ = 28.4°处显示了一个衍射峰，这归因于Si(111)，与Ce(acac)3@PVP纳米颗粒观察到的衍射峰相似。未检测到与结晶Pt或Pt化合物相关的额外峰，表明H?PtCl?的引入未引起结晶，前驱体纳米颗粒保持非晶态。FT-IR光谱（图4f）在所有条件下均显示了C=O伸缩、CN伸缩和NC=O弯曲振动特征峰，表明PVP覆盖在前驱体纳米颗粒上。值得注意的是，C=O伸缩振动带（1655 cm?1）向相比之下，保持PtOCe键的Pt2+物种在CeO2表面上相对稳定。XRD图谱（图5i）显示出与CeO2相对应的尖锐衍射峰，这表明形成了结晶态的CeO2。此外，在2θ = 39.7°、46.3°和67.6°处观察到衍射峰，分别对应于Pt (111)、(200)和(220)面，这与Pt的标准PDF#87–0640一致。使用Scherrer方程估算的晶粒大小总结在表S4中。未检测到由杂质产生的峰，表明非晶态的Ce(acac)3–H2PtCl6·6H2O@PVP前驱体在热处理后成功转化为Pt/CeO2纳米颗粒。Pt峰的存在归因于Pt0的局部聚集，表明Pt在CeO2表面的分布并不均匀。值得注意的是，Pt/CeO2-12、Pt/CeO2-18和Pt/CeO2-24中没有观察到Pt (200)衍射峰，而Pt/CeO2-12中也缺失了Pt (220)峰。这可能是由于添加的H2PtCl6·6H2O量相对较少，导致局部聚集的Pt区域较少，分散良好的Pt比例较高，从而使相应XRD峰的强度低于检测限。此外，XPS调查谱（图S6a）揭示了Ce 3d、O 1s、C 1s和Pt 4f峰，以及O KLL、Ce MNN、Ce 4p、Ce 4d和O 2s峰，表明获得的材料由高化学纯度的Pt/CeO?纳米颗粒组成[75]。Pt/CeO2-12和Pt/CeO2-18的Ce 3d谱（图6a）以及Pt/CeO2-24和Pt/CeO2-30的Ce 3d谱（图6b）显示了Ce4+和Ce3+的共存。通过对Ce 3d峰面积的半定量分析，发现Pt/CeO2-24具有最高的Ce3+比例（33.1%），表明其氧空位浓度最高（表5）。

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图6. Pt/CeO2样品的物理化学表征。Ce 3d的XPS谱：(a) Pt/CeO2-12和Pt/CeO2-18；(b) Pt/CeO2-24和Pt/CeO2-30；Pt 4f的XPS谱：(c) Pt/CeO2–12和Pt/CeO2–18；(d) Pt/CeO2-24和Pt/CeO2-30；(e) FT-IR谱；(f) Pt/CeO2样品的过氧化物酶类催化活性比较。

表5. 不同H2PtCl6·6H2O添加量（12、18、24和30 mg）制备的Pt/CeO2中Ce3+和Ce4+的比例，通过XPS测定。

样品 | Ce3+/ (Ce3+ + Ce4+) % | CeO2 (5:1)
--- | ------------- | ---------------
Pt/CeO2-12 | 16.4 |
Pt/CeO2-18 | 19.2 |
Pt/CeO2-24 | 33.1 |
Pt/CeO2-30 | 18.4 |

此外，O 1s谱（图S6b和S6c）显示，在含Pt的样品中，Pt/CeO2-24在531–532 eV峰处的强度最高（表S5）。这一增强可能与Pt诱导的表面氧物种 modification 有关——例如表面羟基化或其他化学吸附的氧物种——而不仅仅是直接指示氧空位。因此，尽管531–532 eV特征主要反映了纯CeO?中的表面吸附物种，但在Pt/CeO?中的强度可能还包括Pt–O相互作用和部分还原时形成的表面氧物种的贡献，突出了这一XPS信号的 Material-dependent性质。另外，在C 1s谱（图S6d和S6e）中没有观察到与PVP相关的C=O、CN或NC=O键的特征信号。

Pt/CeO2-12和Pt/CeO2-18的Pt 4f谱（图6c）以及Pt/CeO2-24和Pt/CeO2-30的Pt 4f谱（图6d）显示了两组由自旋-轨道相互作用产生的峰（4f7/2和4f5/2）。在4f7/2区域，观察到属于Pt0（70.6 eV）和Pt2+（72.4 eV）的峰；而在4f5/2区域，检测到属于Pt0（73.8 eV）和Pt2+（75.7 eV）的峰[76]。这些结果表明Pt/CeO2纳米颗粒中存在金属Pt0和氧化的Pt2+物种。值得注意的是，Pt2+可能以PtOCe键的形式存在。

对Pt 4f谱的半定量分析（表6）显示，Pt/CeO2-24的Pt0比例最高（41.2%）。由于Pt0是过氧化物酶类催化反应中的主要活性位点，这一增加的比例可能有助于提高催化活性[77,78]。

表6. 不同H2PtCl6·6H2O添加量（12、18、24和30 mg）制备的Pt/CeO2中Pt0和Pt2+的比例，通过XPS测定。

FT-IR谱（图6e）显示，所有Pt/CeO2样品均表现出OH弯曲振动、CH伸缩振动、CO伸缩振动和CeO键的吸收带，与CeO2纳米颗粒相似。此外，CeO键的吸收带向较低的波数移动——从771 cm?1降至660 cm?1——与CeO2纳米颗粒相比。这种峰位移归因于Pt存在下Ce4+被还原为Ce3+。由于Ce3+（1.14 ?）的离子半径比Ce4+（0.97 ?）大，与O2?的库仑相互作用减弱，Ce?O键长增加[79]，因此键长延长导致振动频率降低，从而向较低波数移动。

此外，没有检测到与PVP相关的C=O或CN伸缩振动，这与C 1s谱的结果一致，证实了来自Ce(acac)3–H2PtCl6·6H2O@PVP前驱体的有机物种在热处理过程中被有效去除。此外，在EDS映射、XPS谱或FTIR谱中都没有检测到Cl相关的信号，表明H2PtCl6·6H2O中的残留Cl物种也在热处理过程中被消除了。

使用UV–vis光谱进一步评估了四种Pt/CeO2纳米颗粒的过氧化物酶类活性。如图S6f所示，含有Pt/CeO2-24的反应溶液从无色变为蓝色，并在大约652 nm处显示出吸收峰，表明该样品具有过氧化物酶类催化活性。对使用CeO2（5:1）和各种Pt/CeO2系统的TMB氧化反应的UV–vis光谱进行比较（图6f）显示，Pt/CeO2系统的吸光度显著高于CeO2（5:1），表明Pt的负载促进了TMB的氧化并显著增强了催化活性。为了阐明Pt/CeO?系统催化活性增强的原因，进一步研究了金属-载体相互作用的作用。

金属-载体相互作用在Pt/CeO2系统的催化行为中起着关键作用。这些相互作用控制Pt物种的电子状态和分布，并通过与Pt–CeO2界面的电荷转移促进低价Pt的形成和氧空位的生成[80,81]。这些协同效应直接导致氧化还原反应性的增强。在本研究中，Pt/CeO2-24具有最高的Pt0比例，与CeO2的界面相互作用导致的电子状态变化和氧空位含量的增加可能有助于Pt0比例的提高。值得注意的是，Pt/CeO2-24在TMB氧化测定中 also显示出最高的吸光度（图S7a），这归因于Pt0和Ce3+的共同作用。金属Pt0促进了H2O2中的O–O键断裂，生成高度活性的•OH自由基，从而引发TMB的氧化[77]。此外，较高的Ce3+含量增加了氧空位的密度，进一步促进了H2O2的分解并提供了更多的活性物种。因此，Pt/CeO2-24的优异过氧化物酶类活性归因于MSI稳定的Pt0与Ce3+/氧空位介导的分解途径之间的协同作用。

比较热处理前后Pt/CeO2-24的催化反应（图S7b）发现，热处理前的前驱体几乎没有TMB氧化现象，仅在0–30 s测量期间在652 nm处有轻微的吸光度变化。相比之下，热处理后的Pt/CeO2-24在初始阶段显示出明显的吸光度增加，652 nm处的信号在约5 s时达到最大值，随后随着反应的进行逐渐减弱。这些结果表明，前驱体阶段的过氧化物酶类活性不够明显，但在热处理后变得明显。

纳米酶的催化性能受环境因素的影响，特别是反应介质的温度和pH值。因此，研究了反应温度（图7a）和pH值（图7b）对催化活性的影响。结果表明，最佳反应温度和pH值分别为40 °C和3.5。这是因为H2O2的分解行为和Pt/CeO2-24对TMB的氧化受温度和pH值的影响。

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图7. 不同Pt/CeO2纳米酶的过氧化物酶类活性。 (a) 温度和 (b) pH值对过氧化物酶类反应的影响。Pt/CeO2-24纳米酶与(c) TMB和(d) H2O2的稳态动力学研究；使用Pt/CeO2-24纳米酶检测葡萄糖；(e) 不同葡萄糖浓度下的UV–vis光谱；(f) 相应的线性校准图。

关于温度依赖性，•OH的生成随温度升高而增加[82]。在40 °C以下，Pt/CeO2-24对H2O2的催化分解（H2O2+ Pt/CeO2 → 2•OH + Pt/CeO2）高效进行，增强的•OH生成促进了TMB的氧化，提高了相对活性。超过40 °C后，H2O2的热分解（H2O2 → H2O + 1/2O2）比催化途径更占优势，减少了可用于•OH生成的H2O2量。此外，高温下生成的•OH可以通过与H2O2或HO2的二次反应（•OH + H2O2 → HO2 + H2O和•OH + HO2 → H2O + O2）被消耗[83]，导致可用于TMB氧化的•OH浓度降低。结果，TMB的氧化被抑制，oxTMB的吸光度也随之下降。

关于pH值的影响，图S7c显示，TMB最初是无色的，通过单电子氧化形成无色的自由基阳离子（TMB?•）。这种自由基阳离子与由无色TMB和黄色二亚胺组成的电荷转移复合物（CTC）达到热力学平衡[53]。蓝色吸收来自CTC，这里用作oxTMB的指示剂。进一步的氧化生成了二亚胺，终止了反应。在强酸性条件下（pH < 3.5），自由基阳离子与CTC之间的平衡向氧化方向移动，促进了CTC向二亚胺的转化[84]，从而降低了652 nm处的吸光度。相反，在pH值高于3.5时，溶液中质子浓度的降低促进了自由基阳离子的去质子化，从而降低了其结构稳定性[85]。因此，自由基阳离子与CTC之间的平衡向自由基阳离子方向移动，降低了CTC的生成，从而降低了相对催化活性。

此外，为了评估催化剂与底物之间的相互作用，在优化条件下使用TMB（图7c）和H?O?（图7d）作为底物进行了动力学分析。对于这两种底物，Pt/CeO2-24的催化速率都与底物浓度成正比增加，所得曲线表现出典型的Michaelis–Menten行为。Lineweaver–Burk图（图S7d和S7e）进一步证实了该催化系统遵循经典的Michaelis–Menten方程。

Lineweaver–Burk方程描述了酶促反应的动力学，表达为：
1/V = (Km/Vmax)·(1/[S]) + 1/Vmax，
其中[S]是底物浓度；V是反应速率；Vmax是当[S]趋于无穷大时的最大反应速率；Km是Michaelis常数，表示V达到Vmax一半时的底物浓度。较小的Km值表明在较低的底物浓度下就能达到最大反应速率的一半，反映了酶或催化剂与底物之间的高亲和力。

表7总结了得到的Km和Vmax值。Pt/CeO2-24的Km值为H2O2的0.10 mM和TMB的1.48 mM，均低于先前研究的纳米酶材料，表明Pt/CeO2-24对这两种底物具有高亲和力。此外，Pt/CeO2-24对TMB和H2O2的Vmax值都很高，表明其能够以高速率催化这些反应。与通过SAS工艺制备的Pt/CeO2纳米材料相比，Pt/CeO2-24表现出更好的底物亲和力和更高的最大反应速率[14]。

表7. Pt/CeO2-24与文献中报道的代表性材料的Michaelis常数（Km）和最大反应速率（Vmax）值的比较。

关于温度依赖性，•OH的生成随温度升高而增加[82]。在40 °C以下，Pt/CeO2-24对H2O2的催化分解（H2O2+ Pt/CeO2 → 2•OH + Pt/CeO2）高效进行，增加的•OH生成促进了TMB的氧化，提高了相对活性。超过40 °C后，H2O2的热分解（H2O2 → H2O + 1/2O2）变得比催化途径更有利于TMB的氧化，减少了可用于•OH生成的H2O2量。此外，在较高温度下生成的•OH可以通过与H2O2或HO2的二次反应（•OH + H2O2 → HO2 + H2O和•OH + HO2 → H2O + O2）被消耗[83]，导致可用于TMB氧化的•OH浓度降低。结果，TMB的氧化被抑制，oxTMB的吸光度也随之下降。

关于pH值的影响，图S7c显示，TMB最初是无色的，通过单电子氧化形成无色的自由基阳离子（TMB?•）。这种自由基阳离子与由无色TMB和黄色二亚胺组成的电荷转移复合物（CTC）达到热力学平衡[53]。蓝色吸收来自CTC，这里用作oxTMB的指示剂。进一步氧化生成了二亚胺，终止了反应。在强酸性条件下（pH < 3.5），自由基阳离子与CTC之间的平衡向氧化方向移动，促进了CTC向二亚胺的转化[84]，从而降低了652 nm处的吸光度。相反，在pH值高于3.5时，溶液中质子浓度的降低促进了自由基阳离子的去质子化，从而降低了其结构稳定性[85]。因此，自由基阳离子与CTC之间的平衡向自由基阳离子方向移动，降低了CTC的生成，进而降低了相对催化活性。

此外，为了评估催化剂与底物之间的相互作用，在优化条件下使用TMB（图7c）和H?O?（图7d）作为底物进行了动力学分析。对于这两种底物，Pt/CeO2-24的催化速率都与底物浓度成正比增加，所得曲线表现出典型的Michaelis–Menten行为。Lineweaver–Burk图（图S7d和S7e）进一步证实了该催化系统遵循经典的Michaelis–Menten方程。

Lineweaver–Burk方程描述了酶促反应的动力学，表达为：
1/V = (Km/Vmax)·(1/[S]) + 1/Vmax，
其中[S]是底物浓度；V是反应速率；Vmax是当[S]趋于无穷大时的最大反应速率；Km是Michaelis常数，表示V达到Vmax一半时的底物浓度。较小的Km值表明在较低的底物浓度下即可达到最大反应速率的一半，反映了酶或催化剂与底物之间的高亲和力。

表7总结了得到的Km和Vmax值。Pt/CeO2-24的Km值为H2O2的0.10 mM和TMB的1.48 mM，均低于先前研究的纳米酶材料，表明Pt/CeO2-24对这两种底物具有高亲和力。此外，Pt/CeO2-24对TMB和H2O2的Vmax值都很高，表明其能够以高速率催化这些反应。与通过SAS工艺制备的Pt/CeO2纳米材料相比，Pt/CeO2-24表现出更好的底物亲和力和更高的最大反应速率[14]。这表明GOx的存在有助于该催化系统中的信号放大。此外，如图7e所示，在0.1–0.5 mM的葡萄糖浓度范围内，652 nm处的吸光度随着葡萄糖浓度的增加而增加，表现出良好的线性关系（y = 1.935x + 0.3958，R2 = 0.99399）。根据图7f，检测限（LOD）被计算为8.20 μM，表明该系统能够对葡萄糖浓度的微小变化做出响应。尽管这一检测范围并未完全覆盖生理上的葡萄糖水平（3–8 mM），但本研究重点评估了在明确定义的缓冲条件下Pt/CeO2纳米酶的基本传感行为。因此，我们注意到将这些结果扩展到生物样本需要进一步验证。表8比较了本研究中获得的Pt/CeO2-24与其他已报道材料的检测性能。该催化剂具有较低的LOD和实用的检测范围，与传统基于纳米酶的系统相比表现出了竞争力。此外，选择性测试（图S8b）证实其他糖类或潜在干扰物质的影响极小，稳定性评估（图S8c）显示信号在重复测量中保持稳定。需要注意的是，本工作中的测量仅限于缓冲系统，在此阶段未进行添加血清的验证，这与我们关注机制理解而非直接临床应用的目标一致。尽管如此，综合这些结果表明，基于Pt/CeO2-24的过氧化物酶样活性的检测系统提供了一种高灵敏度和选择性的比色法来检测葡萄糖。这种优异的性能归因于旋混器辅助的SEDS过程的独特优势。

表8. Pt/CeO2-24与其他报道的葡萄糖传感材料的检测限和线性范围的比较
| 催化剂 | LOD (μM) | 线性范围 (μM) | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- |
| Pt/CeO2-24 | 8.20 | 100–500 | 本研究 |
| Pt/CeO2-S1 | 16 | 100–500 | [14] |
| Fe3O4@PDA | 10 | 10–10,000 | [90] |
| Core–shell Cu/Au NPs | 15 | 20–670 | [91] |
| CuONRs@Pd6NPs | 8.87 | 0–60 | [92] |
| V2O5 | 10 | 10–2000 | [93] |

Pt/CeO2样品的特性总结如下：FE-SEM观察和粒径分布分析显示，在负载Pt后仍保持纳米级尺寸，平均粒径在14至16 nm之间，并且在所有条件下粒径分布均匀。EDS映射和XRD图案确认所有Pt/CeO2样品均保持了CeO2的晶体结构，尽管在CeO2表面某些区域观察到了Pt的聚集。XPS分析显示Pt主要存在于Pt0和Pt2+态，其中Pt/CeO2-24的Pt0分数最高。TMB系统的UV–vis光谱表明Pt/CeO2-24的催化性能优于其他Pt/CeO2样品和纳米材料。这些结果表明，Pt/CeO2纳米颗粒的催化性能强烈依赖于粒径、Pt含量以及Ce3+/氧空位。最后，CeO2和Pt/CeO2纳米颗粒的比较显示，不同的因素影响了它们的催化性能。CeO2纳米颗粒由于纳米化作用而具有均匀的粒径（24–30 nm），并且Ce3+物种的存在促进了氧空位的形成，增强了其过氧化物酶样活性。相比之下，Pt/CeO2纳米颗粒在负载Pt后粒径减小（14–16 nm），Pt有助于稳定表面缺氧位点。值得注意的是，Pt/CeO2-24在所有Pt/CeO2和CeO2样品中显示出最高的催化活性，表明Pt的存在进一步增强了CeO2纳米颗粒的催化性能。这一比较表明，虽然CeO2的催化活性主要依赖于粒径和Ce3+/氧空位，但Pt的负载通过稳定氧空位和形成Pt0进一步提高了性能。

**结论**
本研究展示了一种新型方法的有效性，该方法结合了旋混器和SEDS过程，使用SCCO2建立了贵金属支撑纳米颗粒的可持续制备路线，解决了传统液相还原方法带来的高环境负担问题。使用Ce(acac)3和PVP进行的基础研究揭示了添加的PVP量会影响粒径和形态。通过热处理Ce(acac)3@PVP前驱体获得的CeO2纳米颗粒表现出均匀的粒径。随后，使用相同工艺制备了含有Ce(acac)3和H2PtCl6·6H2O的PVP涂层前驱体，并成功地通过单次热处理步骤制备了Pt/CeO2纳米颗粒。所得Pt/CeO2纳米颗粒的粒径均匀为14–16 nm。FT-IR光谱和XPS确认PVP已通过热分解完全去除。此外，Pt/CeO2纳米颗粒在使用TMB的比色反应中表现出高过氧化物酶样活性。基于Pt/CeO2-24的葡萄糖传感器在0.1–0.5 mM的线性范围内具有8.20 μM的检测限。总体而言，本研究开发的基础技术有望推动多元素功能纳米材料（包括合金纳米颗粒）的可持续制造工艺的发展。

**作者贡献声明**
Aiya Manabe：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原稿、可视化、实验研究、数据分析。
Li Zhu：实验研究。
Tao Wang：软件资源。
Li Mei：实验研究。
Tetsuya Yamamoto：指导、资金获取。