二氧化碳排放量在不断上升，在2021年达到月平均419ppm，是过去200万年来的最高纪录。可再生能源工厂的发展，如太阳能、风能和水电，可以提供一个可持续的和碳中和的电力系统，带来电气化去碳化的机会。一些用于电催化的金属价格昂贵、制造耗能大，所以需要找一种环境友好的能源转化技术。提供可用于制备先进碳质催化剂的天然原料（生物质）和高效电化学系统的模型（酶），可为能源转换技术提供解决方案。

基于此，东北大学高级材料研究所 Maria-Magdalena Titirici教授首先讨论了具有生物启发特征的碳基材料的设计。然后，深入研究生物启发功能在电化学装置中的应用；最后，讨论了目前的挑战和新的潜在研究方向。为生物启发的可持续材料在电化学装置中的实施打开闸门。

图文解读

Bioinspired and Bioderived Catalysts

Fig. 1表明大自然为制造用于能源转换技术的下一代催化剂提供了一系列广泛的工具。生物质是先进碳质材料的前体，酶是活性点的来源，而层次结构是高效质量传输的来源。

Fig. 1. Schematic of biomass types and the active sites in the cathode side of the fuel cell. Figures reproduced with permission from ref

Bioinspired Catalysts for OER

Fig. 2a表明光系统II（PSII）酶是由许多多肽亚单位和辅助因子组成的大型同源蛋白复合物构成的。接收到光子后，在酶内产生一个电子-空穴对，氧化一个叶绿素分子（P680→P680+）并还原一个叶绿素受体。被氧化的分子随后激活以锰为基础的氧进化复合体（OEC），（129）这是水氧化的活性部位（Fig. 2b），然后返回到其最还原的状态。其他具有类似分子基序的立方烷类配合物已被探索用于水氧化，包括混合金属锰氧化物、(143) 层状有机钴膦酸盐、(144) 氧化铜、(145) 和八核 Cu(II) 簇（Fig. 2 c 和 d).

Fig. 2. (a) Overall structure of photosystem II. Reprinted with permission from ref . (b) Molecular structure of the Mn4CaO5 OEC. Adapted with permission from ref . (c) 45°-Rotated view of Co-OEC. Adapted with permission from ref .

Bioinspired Design of Active Sites in ORR Catalysts

Fig. 3为了提高ORR催化剂的活性，可以采用两种设计原则：要么增加活性位点的数量，要么提高每个活性位点的内在活性。大自然在进化与生化氧气运输和转化有关的活性位点结构时掌握了后者。两种主要的ORR酶是CcO，（Fig. 3a），其中ORR的电子转移驱动一个跨膜质子泵，以及多铜氧化酶，一种ORR催化剂，同时氧化各种有机分子和金属离子。像漆酶这样的多核铜催化剂的活性位点结构是由四个铜原子组成的，这些铜原子被不同数量的氨基酸配体，主要是组氨酸整合到酶中（Fig. 3b）。科学界的目标是通过双原子催化剂（Fig. 3c-e）或通过复制由血红素结构（Fig. 3f）衍生出的更简单的单位点催化剂，即CcO、血红蛋白和肌红蛋白中O2的结合位点，它们可逆地结合O2进行运输。血红素中的中心FeN4已被分子模型系统所模仿，如卟啉、酞菁和铁单原子催化剂（Fig. 3g和h）。

Fig. 3. Key structural features of dual and multiatom active sites in naturally occurring (a) CcO and (b) laccase and nature-inspired MxNy active sites in (c) μ-oxo-Fe(III)diporphyrin and diphthalocyanine. Figure 10c was adapted from ref . (d) Co2FTF.  (e) Dual-metal-atom Fe2N6 site in graphene. Key structural features of single-atom active sites in naturally occurring (f) heme and (g) iron phthalocyanine and the (h) single-atom FeN4 site in graphene.

Water and Bubble Management

通过在碳基质中形成Cu-N4位点来实现最大的原子利用效率的方法已经成为一种非常有效的替代方法，以实现具有高法拉第效率的C2+产品（Fig. 4a和b）。Fig. 4c表明将源于生物质的掺氮碳与适当的可控金属化方法相结合，有可能形成新一代可持续的高活性材料，以生产高附加值的化学品。

Fig. 4.  (a) Cu–porphyrin, (b) CO2 reduction over CuN4 sites embedded in a carbon matrix, and (c) schematic representation of the synthesis of bioinspired heterogeneous catalysts from biomass.

Bioinspired Interfaces and Mass Transport

Fig. 5a和b表明可以通过生物吸水来进一步增加亲水性。鱼类的皮肤显示出超疏水性，可以减少它们身上的气泡，从而改善它们的平衡和对游泳的阻力。Fig. 5c表明使用一步水热工艺合成了NiFe-层状双氢氧化物纳米板可得到类似的结构，其气体接触角为150°。合成的超亲水材料提供了卓越的氧气演化性能和快速的气体产品释放，平均气泡大小为39微米，相比之下，IrO2/C的气泡释放受到阻碍，达到220微米（Fig. 5d）。同时，ORR依赖于对气态反应物的接触，而是从疏水表面中获益（Fig. 5e）。通过用聚四氟乙烯纳米颗粒修饰碳纸获得了一个超疏水的表面，在加入钴的NCNT催化剂下面产生了一个稳定的氧气层，该催化剂在酸性和碱性介质中都显示出卓越的性能（Fig. 5g和h）。这种结构类似于漂浮的水蕨类植物Salvinia molesta，由于它的蛋形结构，可以在水下保持空气数周（Fig. 5e和f）。plastrons由疏水的羽毛状毛发组成，它呈现出纳米级和微观级的表面结构，能够在水下捕获空气（Fig. 5I和j）。通过修改分层结构的Cu树枝，用单层的蜡质烷硫醇来实现类似的多尺度表面（图Fig. 5m和n）。通过模仿呼吸过程可以在自然界中找到可能的解决方案。肺泡在内侧被一层卵磷脂型疏水分子覆盖，以减少气体界面处的表面张力，而外侧是亲水的，以保持与血液的接触（Fig. 5o和p）。这种不对称的疏水/亲水膜可确保双向有效的气体输送。另外通过滚动和密封催化剂涂层的聚乙烯膜，产生了具有亲水和疏水侧的肺泡结构（Fig. 5q和r）。

Fig. 5.  Aerophobicity for oxygen evolution: (a) Picture of a carp and (b) scanning electron microscopy (SEM) image of a fish scale skin showing underwater superaerophobicity. Reproduced with permission ;(c) SEM image of a fish-scale-like aerophobic NiFe-LDH electrode. Reproduced with permission ; (d) Schematic of oxygen evolution on a fish-scale-like aerophobic electrode, which helps the release of evolved gas bubbles. Aerophilicity for ORR: (e) picture and (f) SEM image of floating water fern Salvinia; (g) SEM image of Co nitrogen-doped carbon nanotubes on carbon fiber paper. Reproduced with permission;  (h) Schematic of ConCNT with hydrophobic PTFE nanoparticles. Aerophilicity for CO2 reduction: (i) Picture of a water spider and (l) SEM image of its skin. The feather-like hair on its abdomen allows the water spider to efficiently trap air bubbles underwater. (i) reproduced with permission ; (l) reproduced with permission ;(m) SEM image of the water spider-inspired hydrophobic Cu dendrite. Reproduced with permission;(n) Schematic of CO2 reduction on the hydrophobic Cu dendrite. The formation of a layer of trapped gas increases the local CO2 concentration, improving the selectivity toward CO2 reduction rather than hydrogen evolution. Bifunctional OER and ORR catalysts: (o and p) Schematics of the breathing process in alveoli.(q) SEM image of a PE membrane modified with a Ag/Pt catalyst. Reproduced with permission; (r) Schematic of the alveolus-like structure of the catalyst-modified PE membrane, presenting a hydrophilic side in contact with the electrolyte and a hydrophobic side in contact with the gas.

总结

作者总结了大自然如何通过提供天然原料和灵感来激发能源转换技术的解决方案。生物质可以被用于制备先进的碳质材料，而酶可以作为高效电化学系统的模型，应用于从水分离或氧气还原到二氧化碳转化等场景。基于目前的技术水平，为了向自然启发和衍生的装置迈进，作者认为即将进行的研究应该解决的挑战有：严格的电化学测试协议；从生物质中制备生物启发式催化剂；评估生物启发的活性位点结构和降解；自我修复；改善电化学器件中的电子、质量和质子传输；开发低成本、无毒、高性能的质子交换膜；评估生物衍生催化剂的可持续性和可扩展性；分层催化剂结构的合理设计和适用性。