港理工黄国贤&哈工程杨飘萍团队Adv. Mater.: 生物启发设计异质单原子位点催化剂用于电/光催化

第一作者：王颖

通讯作者：杨飘萍教授，黄国贤教授

通讯单位：哈尔滨工程大学，香港理工大学

论文DOI：10.1002/adma.202502131

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单原子位点催化剂（SACs）作为均相催化和多相催化之间的桥梁，可以作为异相催化剂均相化的理想模型。如何将均相生物催化的仿生策略有效应用于异相SACs的设计中，仍需要对生物催化剂和异相SACs的结构特征和催化机制的系统性理解。鉴于此，香港理工大学黄国贤教授、哈尔滨工程大学杨飘萍教授团队在国际材料权威期刊《Advanced Materials》发表了题为“Bioinspired Design of Heterogenous Single-atomic-site Catalysts for Electrocatalysis and Photocatalysis”的综述论文（DOI：10.1002/adma.202502131）。本文综述了具有代表性的生物启发的单原子位点催化剂及其在多相电催化和光催化中的应用。从第一壳层配位（准均相金属中心和配位数/种类）、第二/长程配位（杂原子掺杂、双金属位点、纳米单原子位点和金属-载体相互作用）以及外部微环境（非共价相互作用和质量/质子/电子转移）的角度系统讨论了生物启发异相SACs设计策略。重点介绍在不同电/光催化反应中受氢化酶、固氮酶、氧化酶和脱氢酶启发的所开发的多种仿生异相SACs，用于生产氢、碳、氮和氧基增值化学品。最后，详细探讨了仿生异相单原子催化剂的当前挑战和未来机遇。

背景介绍

开发低成本和高效率的单原子位点催化剂（SACs）对于绿色能源转换技术的成功实施至关重要。开发具有明确活性位点的单原子催化剂主要依赖于考虑尺寸、电子结构和配位环境设计原则。尽管传统单原子位点催化剂本质上是异相的，但它们主要的活性位点和催化构型仍然是类均相的。自然界为生物体中可持续能源转化的有效利用和人工生物催化提供了蓝图。天然酶因其内在活性和选择性被视为均相生物催化剂的巅峰，其精巧的内在分级结构为单原子能源催化剂的类均相设计方法提供了宝贵参考价值。自然启发的化学工程策略已被成功提出并应用于仿生可持续纳米材料设计中，在异相SACs的合理设计中采用这些仿生策略有望在关键的能源转化反应中取得突破。

图文解析

图1：用于电催化和光催化的生物启发异相SACs示意图概述。

仿生设计异相SACs结构最有希望的灵感来源是生物有机体中的金属酶。金属酶的每一个组成部分和框架都经过了数百万年的精心进化，是生物催化过程中不可或缺的一部分。因此，设计生物启发异相SACs结构的关键原则是将结构和功能特征结合起来，而不仅仅是复制酶中看似有用的特征。如图2所示，金属酶的结构主要由活性金属中心和肽基质组成。金属酶中相应的蛋白质支架可以进一步系统地分为活性中心位点之外的三个独立区域：1)第一个配位层由与中心金属连接的原子或氨基酸残基组成；2)第二配位层包含靠近金属中心的离子相互作用官能团；3)由剩余的外部蛋白质支架、溶剂和离子组成的具有明确质子和电子转移通道的外部微环境。天然酶的这些特性可以充分启发异相SACs结构的合理仿生设计中。因此，本文概述在第一壳配位中具有精确配位数/物种的工程金属中心的一般生物启发设计原理，以及杂原子、邻近金属位、纳米粒子和基底在第二/远程配位中与异相SACs的金属活性中心的协同作用。在生物系统的启发下，外微环境中的非共价相互作用和质量/质子/电子转移也将被讨论。

图2：异相SACs结构的生物启发工程策略示意图。

总结与展望

生物启发工程策略的发展在设计异相SACs方面起着重要作用。在这篇综述中，从内部单一金属中心到外部微环境，全面的生物启发设计策略已被成功建立并精准构筑异相SACs用于非均相电/光催化中的实际应用。随着人工智能和合成策略的发展以及表征技术的进步，异相SACs结构的进一步设计和优化将有充分的机会用于各种应用。

文献信息：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502131

作者介绍

通讯作者：黄国贤教授（Kwok-Yin Wong），香港理工大学副校长。1995年获得香港理工大学终身教授，2005年获得香港理工大学化学科技讲座教授，2013年获得应用化学领域Patrick S.C. Poon冠名教授。至今分别担任应用生物与化学科技学系系主任，应用科学与纺织学院院长化学生物学及药物研发国家重点实验室主任。主要研究方向为绿色化学、生物传感及抗生素之研发。相关工作发表在领域顶尖国际期刊上，并获得多项专利。

通讯作者：杨飘萍教授，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院院长，二级教授，享受国务院政府特殊津贴专家，现任哈尔滨工程大学超轻材料与表面技术教育部重点室主任、黑龙江省化学会副理事长、一级学会二级分会副主任委员。从事新型纳米生物材料的设计合成与生物医学应用研究。以通讯作者在Nat. Commun.(1篇)、Sci. Adv.(1篇)、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Adv. Mater.（17篇）、Adv. Funct. Mater.（24篇）、ACS Nano（23篇）和Biomaterials（14篇）等期刊发表论文300余篇，其中ESI高被引论文21篇，他引2.7万余次，h指数101，连续6年被评为科睿唯安全球高被引学者（统计截止2025年3月）。以第一完成人获黑龙江省自然科学一等奖2项、二等奖1项、中国稀土学会科学技术二等奖1项，担任多个国内外期刊副主编及编委。

第一作者：王颖，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院副教授，博士生导师，国家级青年人才项目入选者（2024年）。目前主要研究方向为原子级纳米材料的生物医学和能源转换应用。以第一（共一）作者发表SCI论文15篇，包括Nat. Commun.、Chem、Matter、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Energy Lett.等顶级学术期刊，ESI高被引论文6篇，封面文章2篇，他引总频次3000余次，H指数28。主持国家级青年人才项目、香港理工大学博士后基金项目，参与国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金面上项目等。受邀担任《Exploration》青年编委，《Materials Today Bio》客座编辑和《ACS Applied Nano Materials》早期职业委员会成员。参与中国化学年会并做口头报告，中国生物物理学会纳米生物学分会第十届学术年会并做邀请报告。个人主页：https://faculty.hrbeu.edu.cn/wangying1234567/zh_CN/index.htm。现招收2026年申请-考核制博士生和硕士生，有意申请者请将个人简历（以邮件方式发送至wangying93@hrbeu.edu.cn，邮件标题注明“硕士生/博士生申请-学校名称-专业-姓名”。

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