先进的膜材料在化学分离、传感、水处理和能源等许多领域都是至关重要的。基于离子选择膜的反向电渗析技术可以捕获海水和河水之间的渗透能用于大规模工业和家庭电力供应，为日益增长的全球能源需求和环境问题提供了解决方案。然而，由于现实环境的复杂多变，膜材料的抗污染在实际应用中仍然是一个主要问题。一般来说，膜的防污措施包括表面功能化、引入防污基团和改变外部场环境等。然而，它们的抗污能力差和对外场能量的依赖仍然是主要障碍。在自然界中，利用氧化酶产生活性氧（ROS）是生物膜防御外部细菌感染的关键功能。这种精细的防污过程启发了利用多种酶的高催化活性的高效自防污膜的构建。纳米酶是具有类酶活性的纳米材料，具有成本低、稳定性高和环境耐受性强等优势，是天然酶的理想替代品。纳米酶的类酶活性可以人为定制，作为跨学科融合的典范，合理设计具有激活O2生成活性氧（ROS）能力的纳米酶，以构建仿生膜，有望从根本上解决现有膜材料的污染问题。双原子催化剂（DACs）具有两个相邻的金属原子位点，它们更类似于大多数天然氧化酶的多金属活性中心，不仅继承了单原子催化剂（SACs）的优势，而且利用了相邻催化活性位点之间的协同效应，为O2活化提供了更有效的途径。以往所报道的双原子仿生策略侧重于调节铁和铜位点的空间构型。然而，考虑到天然细胞色素c氧化酶（CcO）结构的复杂性和高选择性，天然CcO中所含血红素a和a3构象对类氧化酶活性的影响尚不清楚。此外，同核双原子铁构型对催化性能和随后的ROS生成过程的影响仍不清楚，这对膜应用具有重要指导意义。
近期，中国科学技术大学张振教授、济南大学逯一中教授、淮北师范大学马东伟教授、新加坡科技研究局Shibo Xi教授密切合作，在Advanced Materials期刊发表题为“Bioinspired Homonuclear Diatomic Iron Active Site Regulation for Efficient Antifouling Osmotic Energy Conversion”的研究论文。
本研究受天然CcO的结构和功能模型的启发，首次证明了原子精确的同核双原子铁复合材料作为具有优异抗污染能力的高性能渗透能量转换膜的使用。通过合理调整双原子铁纳米酶的原子构型，可以精确地定制类氧化酶活性，从而提高离子吞吐量和抗污能力。具有直接嵌入纤维素纳米纤维中的Fe-Fe构型纳米酶的复合膜（CNF/Fe-DACs-P）功率密度约为6.7 W m-2，抗菌性能提高了44.5倍，超过了最先进的CNF基膜。结合实验表征和密度泛函理论模拟表明，具有金属-金属相互作用的同核双原子铁位点可以实现中间体的吸附和解吸的平衡，从而实现优异的类氧化酶活性、增强的离子通量和优异的抗菌活性。该研究对开发纳米酶在膜上的应用具有重要的意义，为纳米酶的膜应用设计和探索提供了概念指导。
图1.仿生纳米酶复合膜高效防污渗透能转换示意图
图2.仿生纳米酶的合成与结构表征
图3. 仿生纳米酶的类氧化酶活性分析
图4. 仿生纳米酶的催化机理
总结：受生物膜抗菌特性的启发，研究人员利用Fe-DACs-P纳米酶来解决离子选择性膜在渗透能量转换过程中的防污问题。纤维素纳米纤维中直接嵌入Fe-Fe基元结构复合膜(CNF/FE-DACs-P)，其功率密度约为6.7 W m−2，超过了最先进的CNF基离子交换膜，同时还具有出色的防污性能，比原始CNF膜高44.5倍。该研究为设计具有增强类氧化酶活性的催化剂提供了见解，并强调了其在膜材料应用中的重要潜力。
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