2024年山东大学邓伟侨教授团队代表性成果总结

导读

山东大学邓伟侨教授团队长期致力于材料数智化设计领域的研究。该团队结合数据库、人工智能以及专家知识，根据实际需求创新研发新材料，并广泛应用于碳中和化学、新能源和生命健康等多个关键领域。在2024年，团队科研成果丰硕，在《Nature Communications》《Angewandte Chemie International Edition》《Applied Catalysis B: Environmental》《CCS Chemistry》《Advanced Functional Materials》《Journal of Energy Chemistry》等知名学术期刊上发表了19篇论文，其中中科院1区论文达到11篇 。

一、药物设计进展

（一）理论方法的发展：基于构象依赖性电荷的分子对接方法（MDCC）

准确测定蛋白质 - 配体相互作用，对基于结构的药物设计起着关键作用。然而，在分子对接技术中，精确预测蛋白质 - 配体的复合结构始终是一项极具挑战性的任务。为此，团队研发出一种创新的分子对接方法-基于构象依赖性电荷的分子对接方法（MDCC），该方法巧妙地将构象搜索于RESP电荷相结合。团队对PDBbind核心集中的 285 个蛋白质 - 配体复合物进行了测试，结果显示，MDCC方法相较于传统的Glide SP和Glide XP方法，展现出更高的对接成功率。特别是当配体满足以下任一条件：总疏水表面积>438、疏水原子数>10、分子量> 235时，MDCC 方法的对接成功率超过90%。此外，团队在GPCR Dock 2021国际大赛中运用 MDCC 方法预测蛋白质 - 配体相互作用。结果表明，对于APJ和GPR139两个靶标，团队的预测模型在所有参赛模型中名列前茅，充分证明了 MDCC 方法具有较高的对接精度。通过进一步的结合模式分析发现，将MDCC方法与分子动力学模拟相结合，能够进一步提升对接精度，同时还有助于推动AlphaFold2在药物发现领域的应用。这些研究成果为 MDCC 方法在未来实际药物设计中的应用奠定了坚实基础。相关成果发表于《Physical Chemistry Chemical Physics》（2024, 26, 22598–22610）。

（二）生命健康：理论与实验相结合揭示阿兹夫定的作用机制

在治疗新冠肺炎重症患者时，需要同步抑制患者体内的病毒复制和炎症反应。新冠病毒复制离不开RNA聚合酶 RdRp，而JAK1抑制剂具有免疫抑制作用。值得注意的是，RdRp的N端NiRAN结构域与JAK1具有结构相似性，其与JAK1在核苷酸结合口袋处结构相似。因此，研发RdRp - NiRAN/JAK1双靶核苷类药物，有望治疗新冠肺炎重症患者。

团队通过理论预测（运用自主开发的 MDCC 方法以及 MD 模拟）和实验验证（TSA 和 HTRF 实验）相结合的方式，对 DrugBank 数据库中 31 种核苷类药物抑制 NiRAN 结构域和 JAK1 的效果进行了评估。研究发现，阿兹夫定不仅能与 NiRAN 结构域结合，还具备一定的抑制 JAK1 活性的能力（图 19 A - D）。这表明阿兹夫定有可能同时抑制病毒 RNA 复制和炎症反应，是潜在的 RdRp - NiRAN/JAK1 双靶药物。该研究提出了阿兹夫定治疗新冠肺炎的新机制，同时也提出了 RdRp - NiRAN/JAK1 双靶核苷类药物的设计理念。相关成果以封面论文发表于《Journal of Physical Chemistry B》（2024, 128, 49, 12066–12077） 。

二、碳中和化学进展

（一）光催化二氧化碳转化：光催化二氧化碳还原光催化材料和溶剂体系的设计与制备

光催化二氧化碳还原技术在应对气候变化、实现能源可持续利用以及环境保护等方面意义重大，具有广阔的潜在应用前景。团队设计合成了具有相同配体和金属盐的金属有机框架（MOFs）与共价有机框架（COFs），并对它们在光催化二氧化碳还原反应中的性能进行了深入探究。研究结果显示，MOFs 在 CO 生成速率和选择性方面的表现优于 COF，这主要得益于 MOFs 的光电特性以及较低的反应能垒，相关成果发表于《CCS Chemistry》2024, 6, 2866–2875）。团队还设计了一种芘基共价有机框架（PyTa-H COF），并将钴单原子（Co SACs）负载在COF骨架中用于二氧化碳还原。在可见光照射下，PyTa-H@Co 在 4 小时内的CO产率达到 18.36 mmolg−1h−1，选择性为94%，其性能与目前已报道的COFs的最佳性能相当，相关成果发表于《Science China Materials》（2025, 68, 165-172）。

此外，团队开发了金属 salen 基聚离子液体催化剂，用于提升光催化二氧化碳制备合成气的效率。在光照条件下，合成气产率高达168.1 mmolg−1h−1，CO 产率为69.3mmolg−1h−1，是有机催化剂中最高值的8倍，相关内容发表于《Journal of Materials Chemistry A》（2024，12, 27491-27496）。通过这一系列分子工程设计，突出了催化剂结构和功能在提高光催化效率方面的重要作用。在催化体系设计方面，团队提出通过切断反应体系氢键网络的方式，提高光催化 CO2 还原的活性和选择性。利用破坏体系氢键网络的方法，抑制质子向催化剂表面的扩散，从而有效抑制析氢副反应，实现了高活性和高选择性的光催化 CO2 还原制备 CO，该成果以封面论文发表于《Angewandte Chemie International Edition》（2024, 63, e202316991）。

（二）机械催化：机器学习辅助甲烷裂解制氢

甲烷裂解制氢是一条无直接碳排放的清洁氢气合成路线，团队采用了机械催化的方法解决催化剂积碳失活的问题，研究构建了一个由10,950种单原子合金表面组成的数据库，并运用机器学习模型预测C-H键解离能垒，结合材料定向合成和活性测试验证了Ir/Ni和Pt/Ni等单原子合金结构的催化性能和结构稳定性，加速了催化材料筛选的进程。在机械震动的反应条件下，研磨球的碰撞与摩擦可以及时地清除催化剂表面形成的积碳物种，明显地延长了催化剂的使用寿命。通过对比机械震动反应条件下和静态反应条件下的反应活性可以看出，研磨球碰撞产生的机械能可以调控单原子合金结构的电子结构，促进碳氢键的断裂，降低速控步的反应能垒，提高甲烷裂解的反应速率。此外，研究收集了反应副产物碳黑并将碳黑用于锂电池的负极材料，从电池的循环性能和倍率性能测试可以看出副产物碳黑与商业碳黑表现出同等的储锂能力，进一步增加了机械催化甲烷裂解制氢路线的技术优势和经济性，为天然气制清洁氢气和碳减排工作提供了新的技术方案，同时这项工作也为在广阔的结构空间内设计特定反应的目标建立了范例。相关研究成果发表于《Nature Communications》（2024, 15, 6036）和《Applied Catalysis B: Environmental》（2024, 353, 124085） 。

（三）热催化二氧化碳转化：近常温常压条件下二氧化碳捕获及转化催化材料的设计与制备

二氧化碳加氢制甲酸的过程受限于热力学因素，在反应过程中通常需要加入碱性介质来推动反应平衡，产物一般为甲酸盐而非甲酸。将甲酸盐分离制备成甲酸是一个高能耗的过程，而且由于需要加入碱性介质，反应通常只能在间歇条件下进行。因此，开发高效催化材料，实现无碱条件下连续催化二氧化碳制备甲酸，具有重要意义和极大的挑战。

在本年度，团队通过构筑氨基修饰的 PdMn 纳米合金催化剂，成功实现了固定床连续式催化二氧化碳加氢制备纯甲酸溶液，达成了无碱条件下连续式二氧化碳制甲酸的过程。该催化剂的 TOF（转化频率）在异相催化体系同等反应条件下达到最高值。这项工作为低能耗的二氧化碳资源化利用提供了新的可能。相关研究成果发表于《Chemical Engineering Journal》（2024, 497, 154951）。

（四）电催化：电解水与电合成氨催化材料的设计与制备

在电解水催化方面，团队开发了有机酸配体刻蚀直接合成导电 MOF 的方法，并利用原位电催化拉曼反应池，深入探究了该材料在电催化析氧反应（OER）中的动态结构演变，揭示了催化剂在服役条件下的真实催化活性位点，为构建催化剂构 - 效关系、优化材料设计提供了重要指导，相关成果发表于《Angewandte Chemie International Edition》（2024, 63, e202400323）。在电催化合成氨方面，团队提出利用双位点吸附稳定亚硝酸根，拉长 N=O 键的长度，从而加速脱氧（N＝O 裂解）和加氢过程，有效提高了亚硝酸根电还原制氨的选择性，研究成果发表于《Journal of Energy Chemistry》（2024, 96, 328-335）。

邓伟侨，山东大学化学与化工学院教授，国家杰出青年基金获得者。在《Nature Communications》《Journal of the American Chemical Society》《Angewandte Chemie International Edition》等期刊上发表论文250余篇，他引15000余次，H-index 63。2015年获得辽宁省自然科学一等奖，2022年入选国际先进材料协会会士和中国化学会理论化学专业委员会委员，2023年入选山东省泰山学者攀登专家。研究方向为材料数智化设计，结合数据库，人工智能与专家知识，按需求创制新材料，应用于碳中和，新能源，生命健康等领域。

主页：https://faculty.sdu.edu.cn/dengweiqiao12/zh_CN/