2023年，俞汉青院士在Water Res.、Adv. Mater.、PNAS、Environ. Sci. Technol.等国际顶级期刊连续发表多篇高水平文章。俞汉青院士课题组主页：http://hqyulab.ustc.edu.cn/index/651581/list/index.htm。下面小编为大家简要介绍一下俞汉青院士团队的最新成果。
Water Res.：分子水平揭示高度连通的天然水体中溶解有机物的不均匀性
研究高连通水体中溶解有机质（DOM）的分子水平异质性，对水体污染溯源和湖泊管理具有重要意义，并为研究水体系统中DOM的转化和运用提供了新的视角。然而，连通水体中DOM固有的同质性给其异质性分析带来了挑战。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士和钱晨博士等人报道了一种结合荧光光谱、高分辨率质谱（HRMS）和聚类分析的创新方法，从分子水平上揭示了DOM在高连通水体中的异质性。
作者利用HRMS在巢湖36个采样点检测到4538个分子。基于激发-发射矩阵（EEM）数据的聚类分析，作者有效地将采样点划分为4个聚类，分别代表西巢湖、东巢湖、农田和城区的水体。对湖西部和东部DOM的分析表明，好氧降解导致CHOS和脂肪族化合物减少，CHO和高不饱和化合物和酚类化合物增加。
此外，作者还揭示了农业用地和城市地区DOM的异质性特征及其来源。该方法准确捕获了湖泊中DOM的异质性分布，揭示了DOM在分子水平上的异质性组成。本工作强调了在类似成分的DOM研究中，将互补光谱分析与HRMS相结合的重要性。
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可持续催化生物质转化为多种胺
利用可再生生物质作为化石资源的替代品，生产低碳的高价值化学品是实现碳中和的有效策略。由于单原子催化剂（SACs）具有高选择性和高原子效率等优点，利用SACs催化生产化学品是一个有吸引力的策略。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士和吴宇恩教授等人报道了利用超分子控制热解策略制备了掺杂B的Pd-Nx单原子Pd催化剂（Pd1/BNC）。
由于精心定制的局部配位微环境，合成的Pd1/BNC催化剂对多种生物质衍生的醛/酮具有显著的转化能力。结合详细的表征和密度泛函理论（DFT）计算表明，在中心Pd单原子与其相邻的N和B原子之间形成的高极性金属N-B位点促进了氢气从供体（还原剂）的活化和氢原子向受体（C=O基团）的转移，从而导致了优异的选择性。
此外，该体系可以进一步扩展，以可再生木质纤维素生物质为原料直接合成各种芳香胺和呋喃胺，对比化石燃料资源型胺，其温室气体排放潜力为负。本研究提出了一种高效和可持续的构建C-N键的方法，使碳中性生物质资源能够生产多种胺。
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.：模拟还原脱卤酶实现高效电催化水脱氯
电化学技术是去除水中有毒和持久性氯代有机污染物的有效方法，但是如何设计出像天然还原脱卤酶具有高活性和选择性的电催化剂还是一个挑战。基于此，中国科学技术大学熊宇杰教授、俞汉青院士和陈洁洁教授等人报道了通过模拟还原脱卤酶的结合口袋结构和催化中心，设计了一种具有氧化石墨烯的蛋白质结合口袋状异质结构的通用骨架，用于电催化水脱氯。
研究发现，可控的内部空间加上定制的分子催化剂可以促进底物的电还原。为实现三氯乙酸钠（TCA）的还原脱氯，作者选择有机卤素呼吸菌脱卤酶的催化中心（维生素B12）作为分子催化剂，构建了GO-B12-GO异质结构，其电化学脱氯能力优于其他形式的电催化剂。
通过电化学表征、密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟，作者阐明了内空间调节电子和质子转移提高电化学性能的机理。为证明该概念的普遍性，作者进一步采用氮掺杂石墨烯和酞菁钴（CoPc）作为替代的2D材料和Co中心脱氯催化剂。本研究通过模拟天然酶的结合口袋结构和活性位点，为设计用于电催化水净化的高性能电极提供了一种策略。
Mimicking reductive dehalogenases for efficient electrocatalytic water dechlorination. Nat. Commun., 2023, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40906-6.
Adv. Sci.：多血红素细胞色素与金属氧化物界面的电子转移机制
电活性微生物细胞已进化出独特的细胞外电子转移，通过氧化还原外膜（OM）蛋白进行反应。然而，OM蛋白与纳米材料界面上的电子传递机制尚不清楚。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士和陈洁洁教授等人报道了利用分子模拟、电化学和光谱测量相结合的方法研究了生物/无机界面上电子转移的机理。
在本文中，作者选择了与固体电子受体具有高亲和力的OmcA作为OM c-Cyts的代表。由于其独特的电子和物理化学性质以及可靠的生物相容性，六方三氧化钨（h-WO3）在各种生物技术应用中表现出良好的性能，例如生物标志物的传感、肿瘤成像、EAB的分离和EET性能的评估。此外，h-WO3的氧化还原电位低于-0.7 V，明显低于OM c-Cyts。因此，作者选择h-WO3作为具有代表性的固体电子受体。
通过分子模拟和实验测量相结合的方法，作者探讨了OmcA与h-WO3纳米材料之间的界面催化机理。通过分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了血红素周围多肽链（包括轴向配位His）对OmcA/h-WO3体系构型的影响，并将理论计算结果与血红素、野生型（WT）和无轴配位His的OmcA的电化学行为实验结果进行了比较，以证实所提出的机理。此外，作者利用瞬态吸收光谱（TAS）研究了这些蛋白与h-WO3在电子传递中的相互作用，为EAB的c-Cyts与h-WO3之间的电催化反应提供新的认识，鉴定了EAB的EET相关基因的作用，并为设计高效的生物电催化纳米器件提供有用的指导。
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：原位动力学EPR揭示催化氧化中的单线态氧自旋捕获
单线态氧（1O2）在许多用于水净化和化学合成的催化氧化过程中起着关键作用，其中基于电子顺磁共振（EPR）分析的自旋俘获法是检测氧的常用方法。然而，它通常局限于与时间无关的获取。2, 2, 6, 6-四甲基哌啶（TEMP）是一种常用的1O2捕获剂，其在1O2存在下形成稳定的氨氧基自由基，具有特征性的三线性EPR信号（TEMPO），但最近的研究对其在各种系统中的可靠性提出了质疑。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士等人报道了一种全面的动力学检测来监测EPR分析中的自旋捕获过程。
在本文中，作者利用捕获产物的EPR强度作为定量评价水溶液中1O2浓度的指标。EPR谱的时间过程可以连续跟踪TEMPO的产生，比传统的2D EPR提供了更深入的动力学信息。通过改变实验参数，可以直接监测溶剂或溶质对TEMPO生成的影响，从而促进可靠的机理研究。利用这种方法，作者通过揭示其不同的动力学行为来区分直接TEMP氧化和捕获1O2后产生TEMPO的机制差异。
此外，TEMPO的时间依赖性跟踪可以详细分析各种条件下1O2生成的动力学，为1O2的存在及其在污染物降解中的作用提供更直接的证据。该方法避免了传统2D 1O2检测技术的假阳性结果，为研究以1O2为主的催化氧化过程的反应机理提供了新的思路。本工作表明动力学EPR分析可以作为一种有前途的策略，从动力学的角度来研究反应物质的产生，并可能为探究催化氧化系统的机制提供了一条途径。
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.：深度学习助力自然水生环境中活浮游生物的自动跟踪与计数
浮游生物在水生环境中分布广泛，是水质的指示物。监测浮游生物的时空变化是环境风险预警的有效手段，但是传统的显微镜计数费时费力，阻碍了浮游生物统计在环境监测中的应用。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士和钱晨博士等人报道了一种基于深度学习的自动视频导向浮游生物跟踪工作流（AVPTW），用于水生环境中浮游生物丰度的连续监测。
通过自动视频采集、背景校正、检测、跟踪、校正和统计，作者在一定时间尺度上对各类浮游动物和浮游植物进行计数，并通过显微镜常规计数验证AVPTW的准确性。由于AVPTW仅对流动浮游生物敏感，作者在线监测了温度和废水排放引起的浮游生物种群变化，证明了AVPTW对环境变化的敏感性。同时，AVPTW的稳定性也得到了污染河流和未污染湖泊的自然水样的验证。
需注意的是，AVPTW对于生成大量数据至关重要，这是可用数据集构建和后续数据挖掘的先决条件。此外，基于深度学习的数据驱动方法为长期在线环境监测和阐明环境指标的相关性铺平了新的道路。本工作提供了一个可复制的范例，将成像设备与深度学习算法相结合，用于环境监测。
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
过氧化氢（H2O2）的选择性氧还原光合作用是一种绿色、经济的替代能源密集型的蒽醌工艺。虽然廉价的聚合物石墨氮化碳（g-C3N4）具有生成H2O2的能力，但其无序和无定形结构导致光生成载流子的高重组率，阻碍了层间的电荷转移。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士和陈洁洁教授等人报道了通过多尺度计算模拟，预测了离子插入（K+和I–）的堆叠聚合物g-C3N4（CN-KCl/KI）可以改善载流子的分离和转移。
通过在g-C3N4中逐层嵌入K+和I–，作者对其电子结构进行了调整和修饰。在计算预测的指导下，CN-KCl/KI实现了高效的太阳能驱动H2O2生产。在400 nm处，H2O2的产率为13.1 mM g-1 h-1，表观量子产率（AQY）为23.6%。其催化性能提高具有以下原因：（1）KCl/KI离子热过程提高了g-C3N4的结晶度，形成了长程有序结构，促进了面内电荷扩散；（2）掺入I–使g-C3N4的带隙变窄，光吸收范围变宽；（3）K+桥接行为加速了g-C3N4层间载流子的流动；（4）优化了g-C3N4的能带结构，有利于整体光催化反应；（5）K+的引入影响了g-C3N4的共轭结构，提高了2e– ORR的选择性。
此外，作者还证实了两步单电子转移2e– ORR可以制取H2O2（O2 →•O2− → H2O）。结晶度调控和双间隙掺杂工程的协同效应触发了新的光吸收中心的形成，快速电荷扩散通道的建立，增强了双-电子氧还原性能。本工作揭示了结晶度和电子结构的双重调谐，拓宽了用于环境修复和节能的有机共轭聚合物光催化剂的设计原则。
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转化为电催化剂，助力CO2还原
有害藻华（HABs）在世界范围内频繁发生，对环境、人类健康和水生生态系统造成极大危害。然而，由于藻类生长速度快，养分摄入能力大，可在其生物量中富集大量的碳（CO2）和营养元素（N和P）。因此，如果有效地收获和利用有害藻类生物量，可作为对抗全球变暖和水体富营养化的有力方法。基于此，中国科学技术大学俞汉青院士和刘武军教授等人报道了一种热化学方法，将藻类生物质转化为氮掺杂的电催化剂，用于CO2还原。
研究发现，合成的碳催化剂（E-NC-900和MANC-900）表现出良好的电化学CO2还原活性。通过生命周期评估（LCA），作者确定了热化学转化方法与常用填埋方法的环境影响的关键驱动因素。LCA是一种广泛用于评估某些产品、服务或技术的环境可持续性的标准化方法，其可在所有生命周期阶段确定可持续性权衡，并避免环境影响带来的负担转移。就淡水/陆地生态毒性和人类毒性等影响而言，前者的环境负担要比后者小得多。
此外，如果热化学转化过程在全球范围内成功应用于生物质转化，可以从全球碳和其他元素循环中去除2.17×108吨CO2当量、8.42×106吨N和1.21×106吨P。同时，热化学方法在成本上也与垃圾填埋相似。本研究结果为实现CO2双重利用和有效去除HABs提供了全新的视角。
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.
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