2023年，俞漢青院士在Water Res.、Adv. Mater.、PNAS、Environ. Sci. Technol.等國(guó)際頂級(jí)期刊連續(xù)發(fā)表多篇高水平文章。俞漢青院士課題組主頁(yè)：http://hqyulab.ustc.edu.cn/index/651581/list/index.htm。下面小編為大家簡(jiǎn)要介紹一下俞漢青院士團(tuán)隊(duì)的最新成果。
Water Res.：分子水平揭示高度連通的天然水體中溶解有機(jī)物的不均勻性
研究高連通水體中溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）的分子水平異質(zhì)性，對(duì)水體污染溯源和湖泊管理具有重要意義，并為研究水體系統(tǒng)中DOM的轉(zhuǎn)化和運(yùn)用提供了新的視角。然而，連通水體中DOM固有的同質(zhì)性給其異質(zhì)性分析帶來(lái)了挑戰(zhàn)?；诖?，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青院士和錢(qián)晨博士等人報(bào)道了一種結(jié)合熒光光譜、高分辨率質(zhì)譜（HRMS）和聚類分析的創(chuàng)新方法，從分子水平上揭示了DOM在高連通水體中的異質(zhì)性。
作者利用HRMS在巢湖36個(gè)采樣點(diǎn)檢測(cè)到4538個(gè)分子?；诩ぐl(fā)-發(fā)射矩陣（EEM）數(shù)據(jù)的聚類分析，作者有效地將采樣點(diǎn)劃分為4個(gè)聚類，分別代表西巢湖、東巢湖、農(nóng)田和城區(qū)的水體。對(duì)湖西部和東部DOM的分析表明，好氧降解導(dǎo)致CHOS和脂肪族化合物減少，CHO和高不飽和化合物和酚類化合物增加。
此外，作者還揭示了農(nóng)業(yè)用地和城市地區(qū)DOM的異質(zhì)性特征及其來(lái)源。該方法準(zhǔn)確捕獲了湖泊中DOM的異質(zhì)性分布，揭示了DOM在分子水平上的異質(zhì)性組成。本工作強(qiáng)調(diào)了在類似成分的DOM研究中，將互補(bǔ)光譜分析與HRMS相結(jié)合的重要性。
Unraveling heterogeneity of dissolved organic matter in highly connected natural water bodies at molecular level.?Water Res.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120743.
Adv. Mater.：Pd1/BNC可持續(xù)催化生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為多種胺
利用可再生生物質(zhì)作為化石資源的替代品，生產(chǎn)低碳的高價(jià)值化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)碳中和的有效策略。由于單原子催化劑（SACs）具有高選擇性和高原子效率等優(yōu)點(diǎn)，利用SACs催化生產(chǎn)化學(xué)品是一個(gè)有吸引力的策略。基于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青院士和吳宇恩教授等人報(bào)道了利用超分子控制熱解策略制備了摻雜B的Pd-Nx單原子Pd催化劑（Pd1/BNC）。
由于精心定制的局部配位微環(huán)境，合成的Pd1/BNC催化劑對(duì)多種生物質(zhì)衍生的醛/酮具有顯著的轉(zhuǎn)化能力。結(jié)合詳細(xì)的表征和密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，在中心Pd單原子與其相鄰的N和B原子之間形成的高極性金屬N-B位點(diǎn)促進(jìn)了氫氣從供體（還原劑）的活化和氫原子向受體（C=O基團(tuán)）的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致了優(yōu)異的選擇性。
此外，該體系可以進(jìn)一步擴(kuò)展，以可再生木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為原料直接合成各種芳香胺和呋喃胺，對(duì)比化石燃料資源型胺，其溫室氣體排放潛力為負(fù)。本研究提出了一種高效和可持續(xù)的構(gòu)建C-N鍵的方法，使碳中性生物質(zhì)資源能夠生產(chǎn)多種胺。
Engineering of Local Coordination Microenvironment in Single-Atom Catalysts Enabling Sustainable Conversion of Biomass into a Broad Range of Amines.?Adv. Mater.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202305924.
Nat. Commun.：模擬還原脫鹵酶實(shí)現(xiàn)高效電催化水脫氯
電化學(xué)技術(shù)是去除水中有毒和持久性氯代有機(jī)污染物的有效方法，但是如何設(shè)計(jì)出像天然還原脫鹵酶具有高活性和選擇性的電催化劑還是一個(gè)挑戰(zhàn)?；诖耍?strong>中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授、俞漢青院士和陳潔潔教授等人報(bào)道了通過(guò)模擬還原脫鹵酶的結(jié)合口袋結(jié)構(gòu)和催化中心，設(shè)計(jì)了一種具有氧化石墨烯的蛋白質(zhì)結(jié)合口袋狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的通用骨架，用于電催化水脫氯。
研究發(fā)現(xiàn)，可控的內(nèi)部空間加上定制的分子催化劑可以促進(jìn)底物的電還原。為實(shí)現(xiàn)三氯乙酸鈉（TCA）的還原脫氯，作者選擇有機(jī)鹵素呼吸菌脫鹵酶的催化中心（維生素B12）作為分子催化劑，構(gòu)建了GO-B12-GO異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其電化學(xué)脫氯能力優(yōu)于其他形式的電催化劑。
通過(guò)電化學(xué)表征、密度泛函理論（DFT）計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬，作者闡明了內(nèi)空間調(diào)節(jié)電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)移提高電化學(xué)性能的機(jī)理。為證明該概念的普遍性，作者進(jìn)一步采用氮摻雜石墨烯和酞菁鈷（CoPc）作為替代的2D材料和Co中心脫氯催化劑。本研究通過(guò)模擬天然酶的結(jié)合口袋結(jié)構(gòu)和活性位點(diǎn)，為設(shè)計(jì)用于電催化水凈化的高性能電極提供了一種策略。
Mimicking reductive dehalogenases for efficient electrocatalytic water dechlorination.?Nat. Commun.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40906-6.
Adv. Sci.：多血紅素細(xì)胞色素與金屬氧化物界面的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制
電活性微生物細(xì)胞已進(jìn)化出獨(dú)特的細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移，通過(guò)氧化還原外膜（OM）蛋白進(jìn)行反應(yīng)。然而，OM蛋白與納米材料界面上的電子傳遞機(jī)制尚不清楚?；诖耍?strong>中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青院士和陳潔潔教授等人報(bào)道了利用分子模擬、電化學(xué)和光譜測(cè)量相結(jié)合的方法研究了生物/無(wú)機(jī)界面上電子轉(zhuǎn)移的機(jī)理。
在本文中，作者選擇了與固體電子受體具有高親和力的OmcA作為OM c-Cyts的代表。由于其獨(dú)特的電子和物理化學(xué)性質(zhì)以及可靠的生物相容性，六方三氧化鎢（h-WO3）在各種生物技術(shù)應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能，例如生物標(biāo)志物的傳感、腫瘤成像、EAB的分離和EET性能的評(píng)估。此外，h-WO3的氧化還原電位低于-0.7 V，明顯低于OM c-Cyts。因此，作者選擇h-WO3作為具有代表性的固體電子受體。
通過(guò)分子模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法，作者探討了OmcA與h-WO3納米材料之間的界面催化機(jī)理。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬和密度泛函理論（DFT）計(jì)算，作者研究了血紅素周?chē)嚯逆湥òㄝS向配位His）對(duì)OmcA/h-WO3體系構(gòu)型的影響，并將理論計(jì)算結(jié)果與血紅素、野生型（WT）和無(wú)軸配位His的OmcA的電化學(xué)行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，以證實(shí)所提出的機(jī)理。此外，作者利用瞬態(tài)吸收光譜（TAS）研究了這些蛋白與h-WO3在電子傳遞中的相互作用，為EAB的c-Cyts與h-WO3之間的電催化反應(yīng)提供新的認(rèn)識(shí)，鑒定了EAB的EET相關(guān)基因的作用，并為設(shè)計(jì)高效的生物電催化納米器件提供有用的指導(dǎo)。
Electron Transfer Mechanism at the Interface of Multi-Heme Cytochromes and Metal Oxide.?Adv. Sci.,?2023, DOI: ttps://doi.org/10.1002/advs.202302670.
PNAS：原位動(dòng)力學(xué)EPR揭示催化氧化中的單線態(tài)氧自旋捕獲
單線態(tài)氧（1O2）在許多用于水凈化和化學(xué)合成的催化氧化過(guò)程中起著關(guān)鍵作用，其中基于電子順磁共振（EPR）分析的自旋俘獲法是檢測(cè)氧的常用方法。然而，它通常局限于與時(shí)間無(wú)關(guān)的獲取。2, 2, 6, 6-四甲基哌啶（TEMP）是一種常用的1O2捕獲劑，其在1O2存在下形成穩(wěn)定的氨氧基自由基，具有特征性的三線性EPR信號(hào)（TEMPO），但最近的研究對(duì)其在各種系統(tǒng)中的可靠性提出了質(zhì)疑?；诖耍?strong>中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青院士等人報(bào)道了一種全面的動(dòng)力學(xué)檢測(cè)來(lái)監(jiān)測(cè)EPR分析中的自旋捕獲過(guò)程。
在本文中，作者利用捕獲產(chǎn)物的EPR強(qiáng)度作為定量評(píng)價(jià)水溶液中1O2濃度的指標(biāo)。EPR譜的時(shí)間過(guò)程可以連續(xù)跟蹤TEMPO的產(chǎn)生，比傳統(tǒng)的2D EPR提供了更深入的動(dòng)力學(xué)信息。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可以直接監(jiān)測(cè)溶劑或溶質(zhì)對(duì)TEMPO生成的影響，從而促進(jìn)可靠的機(jī)理研究。利用這種方法，作者通過(guò)揭示其不同的動(dòng)力學(xué)行為來(lái)區(qū)分直接TEMP氧化和捕獲1O2后產(chǎn)生TEMPO的機(jī)制差異。
此外，TEMPO的時(shí)間依賴性跟蹤可以詳細(xì)分析各種條件下1O2生成的動(dòng)力學(xué)，為1O2的存在及其在污染物降解中的作用提供更直接的證據(jù)。該方法避免了傳統(tǒng)2D 1O2檢測(cè)技術(shù)的假陽(yáng)性結(jié)果，為研究以1O2為主的催化氧化過(guò)程的反應(yīng)機(jī)理提供了新的思路。本工作表明動(dòng)力學(xué)EPR分析可以作為一種有前途的策略，從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)研究反應(yīng)物質(zhì)的產(chǎn)生，并可能為探究催化氧化系統(tǒng)的機(jī)制提供了一條途徑。
Unveiling singlet oxygen spin trapping in catalytic oxidation processes using in situ kinetic EPR analysis.?PNAS,?2023, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2305706120.
Environ. Sci. Technol.：深度學(xué)習(xí)助力自然水生環(huán)境中活浮游生物的自動(dòng)跟蹤與計(jì)數(shù)
浮游生物在水生環(huán)境中分布廣泛，是水質(zhì)的指示物。監(jiān)測(cè)浮游生物的時(shí)空變化是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的有效手段，但是傳統(tǒng)的顯微鏡計(jì)數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，阻礙了浮游生物統(tǒng)計(jì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用?；诖?，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青院士和錢(qián)晨博士等人報(bào)道了一種基于深度學(xué)習(xí)的自動(dòng)視頻導(dǎo)向浮游生物跟蹤工作流（AVPTW），用于水生環(huán)境中浮游生物豐度的連續(xù)監(jiān)測(cè)。
通過(guò)自動(dòng)視頻采集、背景校正、檢測(cè)、跟蹤、校正和統(tǒng)計(jì)，作者在一定時(shí)間尺度上對(duì)各類浮游動(dòng)物和浮游植物進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過(guò)顯微鏡常規(guī)計(jì)數(shù)驗(yàn)證AVPTW的準(zhǔn)確性。由于AVPTW僅對(duì)流動(dòng)浮游生物敏感，作者在線監(jiān)測(cè)了溫度和廢水排放引起的浮游生物種群變化，證明了AVPTW對(duì)環(huán)境變化的敏感性。同時(shí)，AVPTW的穩(wěn)定性也得到了污染河流和未污染湖泊的自然水樣的驗(yàn)證。
需注意的是，AVPTW對(duì)于生成大量數(shù)據(jù)至關(guān)重要，這是可用數(shù)據(jù)集構(gòu)建和后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘的先決條件。此外，基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法為長(zhǎng)期在線環(huán)境監(jiān)測(cè)和闡明環(huán)境指標(biāo)的相關(guān)性鋪平了新的道路。本工作提供了一個(gè)可復(fù)制的范例，將成像設(shè)備與深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合，用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。
Deep-Learning-Based Automated Tracking and Counting of Living Plankton in Natural Aquatic Environments.?Environ. Sci. Technol.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.3c00253.
PNAS：CN-KCl/KI高效催化光合成H2O2
過(guò)氧化氫（H2O2）的選擇性氧還原光合作用是一種綠色、經(jīng)濟(jì)的替代能源密集型的蒽醌工藝。雖然廉價(jià)的聚合物石墨氮化碳（g-C3N4）具有生成H2O2的能力，但其無(wú)序和無(wú)定形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致光生成載流子的高重組率，阻礙了層間的電荷轉(zhuǎn)移。基于此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青院士和陳潔潔教授等人報(bào)道了通過(guò)多尺度計(jì)算模擬，預(yù)測(cè)了離子插入（K+和I–）的堆疊聚合物g-C3N4（CN-KCl/KI）可以改善載流子的分離和轉(zhuǎn)移。
通過(guò)在g-C3N4中逐層嵌入K+和I–，作者對(duì)其電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整和修飾。在計(jì)算預(yù)測(cè)的指導(dǎo)下，CN-KCl/KI實(shí)現(xiàn)了高效的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)H2O2生產(chǎn)。在400 nm處，H2O2的產(chǎn)率為13.1 mM g-1?h-1，表觀量子產(chǎn)率（AQY）為23.6%。其催化性能提高具有以下原因：（1）KCl/KI離子熱過(guò)程提高了g-C3N4的結(jié)晶度，形成了長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了面內(nèi)電荷擴(kuò)散；（2）摻入I–使g-C3N4的帶隙變窄，光吸收范圍變寬；（3）K+橋接行為加速了g-C3N4層間載流子的流動(dòng)；（4）優(yōu)化了g-C3N4的能帶結(jié)構(gòu)，有利于整體光催化反應(yīng)；（5）K+的引入影響了g-C3N4的共軛結(jié)構(gòu)，提高了2e–?ORR的選擇性。
此外，作者還證實(shí)了兩步單電子轉(zhuǎn)移2e–?ORR可以制取H2O2（O2?→?O2??→ H2O）。結(jié)晶度調(diào)控和雙間隙摻雜工程的協(xié)同效應(yīng)觸發(fā)了新的光吸收中心的形成，快速電荷擴(kuò)散通道的建立，增強(qiáng)了雙-電子氧還原性能。本工作揭示了結(jié)晶度和電子結(jié)構(gòu)的雙重調(diào)諧，拓寬了用于環(huán)境修復(fù)和節(jié)能的有機(jī)共軛聚合物光催化劑的設(shè)計(jì)原則。
Synergy of crystallinity modulation and intercalation engineering in carbon nitride for boosted H2O2?photosynthesis.?PNAS,?2023, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2215305120.
Environ. Sci. Technol.：HABs轉(zhuǎn)化為電催化劑，助力CO2還原
有害藻華（HABs）在世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，對(duì)環(huán)境、人類健康和水生生態(tài)系統(tǒng)造成極大危害。然而，由于藻類生長(zhǎng)速度快，養(yǎng)分?jǐn)z入能力大，可在其生物量中富集大量的碳（CO2）和營(yíng)養(yǎng)元素（N和P）。因此，如果有效地收獲和利用有害藻類生物量，可作為對(duì)抗全球變暖和水體富營(yíng)養(yǎng)化的有力方法?；诖?，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞漢青院士和劉武軍教授等人報(bào)道了一種熱化學(xué)方法，將藻類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氮摻雜的電催化劑，用于CO2還原。
研究發(fā)現(xiàn)，合成的碳催化劑（E-NC-900和MANC-900）表現(xiàn)出良好的電化學(xué)CO2還原活性。通過(guò)生命周期評(píng)估（LCA），作者確定了熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法與常用填埋方法的環(huán)境影響的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。LCA是一種廣泛用于評(píng)估某些產(chǎn)品、服務(wù)或技術(shù)的環(huán)境可持續(xù)性的標(biāo)準(zhǔn)化方法，其可在所有生命周期階段確定可持續(xù)性權(quán)衡，并避免環(huán)境影響帶來(lái)的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移。就淡水/陸地生態(tài)毒性和人類毒性等影響而言，前者的環(huán)境負(fù)擔(dān)要比后者小得多。
此外，如果熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程在全球范圍內(nèi)成功應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化，可以從全球碳和其他元素循環(huán)中去除2.17×108噸CO2當(dāng)量、8.42×106噸N和1.21×106噸P。同時(shí)，熱化學(xué)方法在成本上也與垃圾填埋相似。本研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)CO2雙重利用和有效去除HABs提供了全新的視角。
Sustainable Conversion of Harmful Algae Biomass into a CO2?Reduction Electrocatalyst for Two-Fold Carbon Utilization.?Environ. Sci. Technol.,?2023, DOI: https://doi.org/10.1021/acs.est.2c07145.
原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/02/21/0e4d19235d/
-透明背底.png)
