图 新型电-酶催化体系的开发 　　在国家自然科学基金项目（22225703、22277053、224B2705、223B2703、22437005）等资助下，南京大学黄小强团队在不对称电-酶催化领域取得新突破：通过二茂铁介导的电化学氧化重塑焦磷酸硫胺素（ThDP）依赖酶，实现了非天然的电-酶催化动态动力学氧化反应。该工作以“电驱动酶促动态动力学氧化（Electricity-driven enzymatic dynamic kinetic oxidation）”为题，于2025年5月28日在线发表于《自然》（Nature）期刊。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09178-6。 　　近年来，一方面化学和生物融合的策略促进了人工酶和光酶催化等领域的发展，不断扩展着生物合成的边界。另一方面，电化学合成作为化学合成领域快速发展的创新工具，具有绿色可持续和电势可控等优势。当前电化学合成与酶催化的结合主要包括电化学再生酶的辅因子和电化学-酶催化级联。这两种方式都是实现酶的天然反应性，如何利用电化学解锁酶的非天然催化模式，仍待突破。黄小强小组巧妙地融合了二茂铁甲醇介导的阳极氧化和ThDP依赖酶催化，将连续2次单电子氧化机制引入酶中，并结合定向进化技术理性改造酶的活性位点，成功开发了一例电-酶催化的非天然生物合成转化。该体系能以清洁电能替代传统化学氧化剂，在较低酶负载量下，实现布洛芬、萘普生等十种(S)-丙酸类抗炎药物的高效合成，对映选择性最高可达99% ee，并兼容全细胞催化与放大量制备。研究团队进一步通过酶促动力学测定、电子顺磁共振及计算模拟等实验手段，探索了可能的电-酶协同机制以及立体选择性的来源，为后续开发电-酶非天然转化提供了思路。 　　该研究充分体现了化学和生物交叉融合的优势，拓展了电-酶催化反应，为生物制造、绿色化学及药物合成领域提供了新工具。

图 主要人为源排放大气细颗粒物（PM2.5）的活性氧水平（ROS） 　　在国家自然科学基金项目（批准号：22188102、U22A20405、22406026）等资助下，清华大学王书肖和复旦大学李庆等人在大气健康风险控制研究方面取得进展，研究成果以“中国细颗粒物排放毒性控制（Control of toxicity of fine particulate matter emissions in China）”为题，于7月10日以Article发表在《自然》（Nature）杂志上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09158-w。 　　大气细颗粒物（PM2.5）污染是全球人群健康的首位威胁因素，而目前空气污染治理政策以降低PM2.5质量浓度为导向，忽视了PM2.5因来源和化学组成不同而导致的毒性差异。因此，探究人为源排放PM2.5的毒性效应、关键组分及作用机制，对于开展污染排放精准治理以及保障人群健康具有重要科学意义。针对这一难题，上述团队基于我国21个省份368组典型人为源排放PM2.5样品开展了现场测试、化学指纹分析、细胞毒性拆解、大气暴露模式等多学科方法的综合研究，揭示了不同来源PM2.5的毒性效应差异可高达数十倍，其中民用固体燃料燃烧排放的PM2.5毒性最高，其次是船舶、冶金工业等。研究成果阐明了毒性差异主要由PM2.5中关键毒性组分（如多环芳烃和毒性金属）决定，而后者又取决于原材料/燃料和工艺/技术。本研究进一步建立了首个大气PM2.5排放毒性清单。研究发现2005年以来中国工业源减排对于PM2.5质量减排的贡献最大，而基于毒性调控的排放削减主要来自于民用固体燃料燃烧源（约80%）；同时量化出我国各地区一次PM2.5人群暴露的毒性具有显著的区域差异。 　　该研究提出了以削减毒性风险为导向的、因地制宜的空气污染精准防控新策略，为推动PM2.5污染治理从“质量浓度控制”向“毒性风险控制”转变提供了科学支撑。

研究意义与关键问题在寒冷气候地区，冰雪覆盖导致的光遮挡已成为制约光伏系统稳定发电的主要障碍之一，严重时可导致超50%的发电损失。此外，冰雪遮挡和极寒气候还可能诱发“热斑”失效、机械应力损伤及封装劣化等一系列结构与性能问题，严重威胁系统稳定性与使用寿命。 尽管市场上已出现多种加热除冰方案，如电加热、电池自热、以及带光热材料的涂层等，但这些方案要么功耗高、能效低，要么存在结构复杂、可靠性差、维护成本高等问题，难以满足大面积户外光伏系统长期稳定运行的需求。 理想的光热防冰解决方案应具备三大特性：高光透过性（保障电池正常工作）、高光热效率（实现快速除冰）、可规模化制备与长期稳定性。但现有光热薄膜在“透光发电”和“光热除冰”之间往往难以兼顾，需要对光学设计进行调整，以在设备和光热薄膜之间实现最佳的阳光吸收平衡，成为阻碍其实用化的关键瓶颈。 本研究基于并网商用的光伏组件的户外运行数据，揭示了寒冷气候下冰雪遮挡对光伏系统发电性能的严重影响，其发电量损失可达约58%。针对冰雪遮挡问题，提出了一种创新的透明光热除冰薄膜设计策略。通过在光热薄膜上引入具有周期干涉效应的莫尔结构,在不降低可见光透过率的前提下，实现了高达93.0%的可见光透过率和约65.8%的近红外吸收率。 研究证实，该米级柔性光热薄膜可在−20 °C 的户外环境下保持光伏组件表面无冰覆盖。应用于钙钛矿太阳能电池的日夜循环测试进一步验证了其稳定的除冰性能和出色的能量恢复能力，冬季单日发电量提升近7.5倍。此外，该薄膜在弱光环境下亦展现出良好的光热响应和长期稳定性，展现出广泛的实际应用潜力。 01 为了评估冰雪对光伏发电的影响，我们收集了位于中国河北保定的一座发电站并网阵列中晶体硅组件的发电量数据，晴天周的总发电量约为538千瓦，而冰雪周的总发电量仅为223千瓦。这种显著的差异凸显了冰和雪在太阳能组件上堆积所造成的严重能量损失。 为解决冰/雪覆盖造成的遮挡问题，我们制造了一种具有干涉结构的透明光热薄膜 (moiré-TP薄膜)，实现了从75.8%到93.0%的可调可见光透射率以及23.0%到65.8%的可调近红外吸收率。这种灵活性使我们能够针对各种实际场景进行定制。 我们将光热薄膜应用于基于 FAPbI3的钙钛矿太阳能电池封装玻璃上作为防冰层。在-20°C的环境温度下，接受 AM 1.5G 太阳光照的情况下，未使用moiré-TP 薄膜的器件出现了严重的结冰现象，导致短路电流密度（JSC）大幅下降，这是由于可见光的反射和散射增强所致。相比之下，使用moiré-TP 薄膜的器件有效地融化了冰层，从而能够在极端条件下实现稳定运行。 图一极寒环境下太阳能电池的故障问题及应对措施 02 利用宽带隙的铯钨青铜纳米颗粒来实现光热薄膜所需的特定光谱选择性。为了进一步增强近红外光的吸收能力并提高光热转换性能，我们引入了莫尔干涉结构。这种莫尔干涉结构凭借增加高阶衍射通道并自然延长光路，展现出了非凡的光管理能力。 我们的研究结果表明周期为 1.5um，旋转角度为 45°的moiré条纹结构实现了最佳的近红外光增强效果。为了开发出一种具有商业可行性的防冰产品，我们采用了基于卷对卷工艺的纳米压印技术，以实现透明光热薄膜的规模化制造。此外，该薄膜具备出色的季节性管理，背胶的设计使得moiré-TP 薄膜可以在夏季轻松揭下防止热量过分积累。可扩展的制造方式与持久的粘合性相结合，使其在各种实际应用中更具实用性。 图二 透明光热薄膜的光学设计与可扩展制造技术 03 我们进一步研究了透明莫尔干涉薄膜的光热性能，以评估其除冰能力及工作温度范围。薄膜透明度与光热转换之间的内在权衡，即增强防冰性能会自然降低透明度，反之亦然。通过光强-温度相图和透过率-温度相图预测了其在不同环境条件下的运行范围并展示了在变化环境下除冰能力，在透过率（Tv）为 82.0% 时，这种moiré光热光薄膜在单太阳光照下，在 -30°C 的临界温度下仍保持无冰状态，这凸显了其适用于极端寒冷环境的特性。 我们还在实际场景中进一步验证了我们这种可扩展薄膜的除冰效果。我们将moiré-TP 薄膜应用于中国宁夏的运行中的太阳能电池板上，这些电池板处于约 0.6 - 0.7 个太阳辐射强度的户外温度环境中，温度范围从 -1 °C 到 -18 °C。带有moiré-TP 薄膜的电池模组保持表面清洁，没有积雪或薄冰层。 图三 透明光热膜防冰效果展示 04 为了评估moiré-TP 薄膜在太阳能电池运行过程中防冰的效果，我们将其应用于具有 p-i-n 结构的封装型钙钛矿光伏器件上。moiré-TP 薄膜在该器件的有效光吸收范围内（300 - 795 nm）保持了出色的透射率。这表明该器件能够保持其原有的高效率，而不会因防冰层而产生额外的能量损失。 由于冰层对可见光的严重反射和散射，这极大地降低了光电流，导致性能下降了82%，说明低温环境对钙钛矿的应用造成了极大阻碍。我们把带有和不带有moiré-TP薄膜的器件在-20°C的条件下经历了昼夜老化循环，并且进行了连续的最大功率点跟踪（MPPT）测试。在模拟夜间（设备处于不工作状态且保持在 -20°C 时），封装器件的表面积聚了一层厚厚的冰层。 在白天，处于 AM 1.5G 单太阳光照下，moiré-TP 薄膜产生的大量热量使其温度在 3 小时内上升了 28 °C，从而导致冰层完全融化。该设备的效率逐渐恢复到了初始状态，能够在低温环境下运行超过 8 小时，这证明了moiré-TP 薄膜具有持续的热生成能力和高可靠性。 总能量输出计算表明，moiré-TP 薄膜的防冰功能在寒冷环境中使设备的日能量生成提高了 7.5 倍。不同地区的温度和光照强度存在显著差异，这影响了光伏电池在全球范围内的应用部署。我们证明了moiré-TP 薄膜能够在北回归线至北极圈之间的地区有效增强抗结冰功能。 图四 透明光热膜应用于钙钛矿电池上的性能 结论展望 我们揭示了在寒冷气候条件下，光伏系统由于冰雪的遮挡作用会出现严重的电力输出损失（约占总电量的 58%）。为了避免牺牲光伏性能，moiré-TP 薄膜在保持高可见光透射率的同时，利用其moiré结构增强了近红外光的吸收（约 65%），从而有助于高效光热转换和防冰功能。 就钙钛矿电池的防冰性能而言，它证实了可靠的防冰功能，能够保持最大功率点运行 8 小时，并在七次循环中保持持续的冰融化效果。这种薄膜有效地保护了钙钛矿器件免受冰雪造成的遮挡影响，使得冬季的每日电力输出几乎增加了7.5倍。 米级规模的制造过程证实了其在商业化方面的可行性，而我们的模拟结果也表明其在全球各地区用于防冰应用方面具有实用性。 最后但同样重要的是，moiré-TP 薄膜独特的光谱选择性、可重复的附着力以及与各种基底的兼容性，使其成为多种透明应用和光电设备的有前景的候选材料。在实际应用中，我们期望未来开发出智能环境响应型透明光热材料，以满足moiré-TP 薄膜对钙钛矿电池防冰性能的要求。 -END-