第一作者：王穎

通訊作者：楊飄萍教授，黃國賢教授

通訊單位：哈爾濱工程大學，香港理工大學

論文DOI：10.1002/adma.202502131

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單原子位點催化劑（SACs）作為均相催化和多相催化之間的橋梁，可以作為異相催化劑均相化的理想模型。如何將均相生物催化的仿生策略有效應用于異相SACs的設計中，仍需要對生物催化劑和異相SACs的結構特征和催化機制的系統性理解。鑒于此，香港理工大學黃國賢教授、哈爾濱工程大學楊飄萍教授團隊在國際材料權威期刊《Advanced Materials》發表了題為“Bioinspired Design of Heterogenous Single-atomic-site Catalysts for Electrocatalysis and Photocatalysis”的綜述論文（DOI：10.1002/adma.202502131）。本文綜述了具有代表性的生物啟發的單原子位點催化劑及其在多相電催化和光催化中的應用。從第一殼層配位（準均相金屬中心和配位數/種類）、第二/長程配位（雜原子摻雜、雙金屬位點、納米單原子位點和金屬-載體相互作用）以及外部微環境（非共價相互作用和質量/質子/電子轉移）的角度系統討論了生物啟發異相SACs設計策略。重點介紹在不同電/光催化反應中受氫化酶、固氮酶、氧化酶和脫氫酶啟發的所開發的多種仿生異相SACs，用于生產氫、碳、氮和氧基增值化學品。最后，詳細探討了仿生異相單原子催化劑的當前挑戰和未來機遇。

背景介紹

開發低成本和高效率的單原子位點催化劑（SACs）對于綠色能源轉換技術的成功實施至關重要。開發具有明確活性位點的單原子催化劑主要依賴于考慮尺寸、電子結構和配位環境設計原則。盡管傳統單原子位點催化劑本質上是異相的，但它們主要的活性位點和催化構型仍然是類均相的。自然界為生物體中可持續能源轉化的有效利用和人工生物催化提供了藍圖。天然酶因其內在活性和選擇性被視為均相生物催化劑的巔峰，其精巧的內在分級結構為單原子能源催化劑的類均相設計方法提供了寶貴參考價值。自然啟發的化學工程策略已被成功提出并應用于仿生可持續納米材料設計中，在異相SACs的合理設計中采用這些仿生策略有望在關鍵的能源轉化反應中取得突破。

圖文解析

圖1：用于電催化和光催化的生物啟發異相SACs示意圖概述。

仿生設計異相SACs結構最有希望的靈感來源是生物有機體中的金屬酶。金屬酶的每一個組成部分和框架都經過了數百萬年的精心進化，是生物催化過程中不可或缺的一部分。因此，設計生物啟發異相SACs結構的關鍵原則是將結構和功能特征結合起來，而不僅僅是復制酶中看似有用的特征。如圖2所示，金屬酶的結構主要由活性金屬中心和肽基質組成。金屬酶中相應的蛋白質支架可以進一步系統地分為活性中心位點之外的三個獨立區域：1)第一個配位層由與中心金屬連接的原子或氨基酸殘基組成；2)第二配位層包含靠近金屬中心的離子相互作用官能團；3)由剩余的外部蛋白質支架、溶劑和離子組成的具有明確質子和電子轉移通道的外部微環境。天然酶的這些特性可以充分啟發異相SACs結構的合理仿生設計中。因此，本文概述在第一殼配位中具有精確配位數/物種的工程金屬中心的一般生物啟發設計原理，以及雜原子、鄰近金屬位、納米粒子和基底在第二/遠程配位中與異相SACs的金屬活性中心的協同作用。在生物系統的啟發下，外微環境中的非共價相互作用和質量/質子/電子轉移也將被討論。

圖2：異相SACs結構的生物啟發工程策略示意圖。

總結與展望

生物啟發工程策略的發展在設計異相SACs方面起著重要作用。在這篇綜述中，從內部單一金屬中心到外部微環境，全面的生物啟發設計策略已被成功建立并精準構筑異相SACs用于非均相電/光催化中的實際應用。隨著人工智能和合成策略的發展以及表征技術的進步，異相SACs結構的進一步設計和優化將有充分的機會用于各種應用。

文獻信息：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502131

作者介紹

通訊作者：黃國賢教授（Kwok-Yin Wong），香港理工大學副校長。1995年獲得香港理工大學終身教授，2005年獲得香港理工大學化學科技講座教授，2013年獲得應用化學領域Patrick S.C. Poon冠名教授。至今分別擔任應用生物與化學科技學系系主任，應用科學與紡織學院院長化學生物學及藥物研發國家重點實驗室主任。主要研究方向為綠色化學、生物傳感及抗生素之研發。相關工作發表在領域頂尖國際期刊上，并獲得多項專利。

通訊作者：楊飄萍教授，哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院院長，二級教授，享受國務院政府特殊津貼專家，現任哈爾濱工程大學超輕材料與表面技術教育部重點室主任、黑龍江省化學會副理事長、一級學會二級分會副主任委員。從事新型納米生物材料的設計合成與生物醫學應用研究。以通訊作者在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）等期刊發表論文300余篇，其中ESI高被引論文21篇，他引2.7萬余次，h指數101，連續6年被評為科睿唯安全球高被引學者（統計截止2025年3月）。以第一完成人獲黑龍江省自然科學一等獎2項、二等獎1項、中國稀土學會科學技術二等獎1項，擔任多個國內外期刊副主編及編委。

第一作者：王穎，哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院副教授，博士生導師，國家級青年人才項目入選者（2024年）。目前主要研究方向為原子級納米材料的生物醫學和能源轉換應用。以第一（共一）作者發表SCI論文15篇，包括Nat. Commun.、Chem、Matter、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Energy Lett.等頂級學術期刊，ESI高被引論文6篇，封面文章2篇，他引總頻次3000余次，H指數28。主持國家級青年人才項目、香港理工大學博士后基金項目，參與國家重點研發計劃納米專項、國家自然科學基金面上項目等。受邀擔任《Exploration》青年編委，《Materials Today Bio》客座編輯和《ACS Applied Nano Materials》早期職業委員會成員。參與中國化學年會并做口頭報告，中國生物物理學會納米生物學分會第十屆學術年會并做邀請報告。個人主頁：https://faculty.hrbeu.edu.cn/wangying1234567/zh_CN/index.htm。現招收2026年申請-考核制博士生和碩士生，有意申請者請將個人簡歷（以郵件方式發送至wangying93@hrbeu.edu.cn，郵件標題注明“碩士生/博士生申請-學校名稱-專業-姓名”。

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