近期，中国科学技术大学环境科学与工程系在环境类酶电催化研究方面取得新进展。相关研究以“Mimicking reductive dehalogenases for efficient electrocatalytic water dechlorination”为题发表于Nature Communications。

电催化还原以多重质子耦合电子转移的方式来转化并去除污染物，比如还原脱氯反应可在温和条件下确保氯代有机污染物碳氯键的断裂。然而，设计具有高活性和高选择性的电催化剂，仍具有较大的挑战。而作为一类能够活化碳卤键的钴分子催化剂——天然存在的还原脱卤酶的B₁₂辅因子，为设计电催化的活性位点结构提供了参考。除了钴催化活性中心，B₁₂周围肽链形成的内部空间和动态结构对反应选择性也具有重要影响，例如能够锚定并活化底物或过渡状态以形成目标产物。然而，大多数催化剂结构通常是刚性和静态的，因此，在电极表面构建一个类酶化动态环境将有利于强化电催化活性与选择性。同时，在电极-电解质界面过程中空间效应作用的明晰也将为催化剂的设计提供理论支撑。针对上述目标，该工作以不依赖于化学键，也不受限于材料晶格匹配度的范德华异质结为动态可控界面电催化剂设计平台，将B₁₂的高还原活性与二维材料的物质及电荷传输性质相耦合，构建了仿脱卤酶电催化体系。相较于仅有外部催化表面的传统块材电极，范德华异质结电极实现了外表面与亚表层的双重催化特性，从而显著增强了氯代有机污染物脱氯能力。通过电化学分析、理论模拟和原位光谱等手段，分析了污染物在范德华异质结层间锚定行为，揭示了层间空间的去溶剂效应使污染物的还原电位正移，从而使其更易于接受电子并发生还原脱氯的过程。该工作发展了将电催化剂活性位点与动态内部空间结构设计集成的策略，为复杂条件下的电催化界面过程优化提供了新思路。

图1 类酶脱氯电极表面与亚表层的分子溶剂化结构

该研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持。同时，研究过程中还得到了中国科大超级计算中心、合肥同步辐射光源与上海同步辐射光源的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40906-6