洋葱碳（OLC）是一种新型的碳同素异形体，由类似洋葱层的同心石墨壳组成。由于其独特的大比表面、高电导率和良好的热稳定性等特点，在电磁屏蔽、储能、超级电容器、锂离子电池、催化等领域均有应用。但是，因其结构的复杂性和多变性，OLC的活性来源和反应机制尚缺乏系统性研究，构效关系仍不明确，严重阻碍了它的实际应用进程。

近年来，中国科学院理化技术研究所光电功能界面材料课题组深入研究了基于纳米金刚石材料的sp2/sp3碳杂化结构，制备了高度有序的石墨化的纳米金刚石，包括OLC。其高曲率表面、sp2/sp3杂化构型和独特化学键赋予了OLC丰富的表面化学和电子态性能。基于此，构筑了氮化碳-洋葱碳复合光催化剂（g-C3N4-OLC）以及OLC修饰的BiVO4光阳极材料（图1a，b），解析了活性位点和反应机理，发现OLC结构依赖的促电子转移效应，实现了光/电催化反应的增强（Applied Catalysis B: Environmental, 2022, 308, 121216; Applied Surface Science, 2023,614, 156120）。

图1 洋葱碳的结构演变和催化应用示意图

近期，研究团队发现，这种具有sp2/sp3杂化结构的OLC具有显著的类过氧化物酶，可以催化过氧化氢分解产生羟基自由基，且催化活性高度依赖于sp2/sp3比例。通过密度泛函（DFT）理论计算模拟了H2O2分子在具有不同碳杂化模式的OLC纳米酶表面上的吸附行为，发现吸附能随着石墨层数的增加而降低，表明吸附能力减弱。同时，计算结果与电化学阻抗谱相结合，显示随着sp2杂化碳比例的提升，OLC的电子传输能力增强，这有助于催化反应的进行（图1c，d）。此外，自由能图的计算显示，在O-O键的伸长和断裂阶段，双层石墨烯模型具有最低的能量势垒，表明其在热力学上的优势。DFT计算还分析了H2O2分子中O-O键的长度变化，发现在双层模型中O-O键更容易断裂，生成活性羟基自由基（•OH），这是OLC表现出POD活性的关键。

图2 OLC在小鼠细菌感染伤口模型中的治疗效果

基于其催化活性，发现OLC对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出显著的抗菌活性，且对耐药性金黄色葡萄球菌（MRSA）同样有效。采用小鼠模型描述了OLC在小鼠细菌感染伤口模型中的治疗潜力（图2）。结果表明，OLC能够有效促进感染伤口的愈合，这为OLC在临床伤口治疗中的应用提供了有力依据，并拓宽了对纳米尺度碳基材料构效关系的认识边界。

该研究以Onion-Like Carbon Nanozyme: Controlling Peroxidase-Like Activity by Carbon Hybridization Patterns for Antibacterial Therapy为题发表在Small，文章通讯作者为只金芳研究员和赵琪项目副研究员，中国科学院理化技术研究所博士生石玉玺和郑翔云为共同第一作者。研究得到了国家自然科学基金项目（资助号：22375210，U21A2070）等的资助支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202405577

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121216

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156120

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c06107

来源：理化所