G-四链体纳米线引导高效的电还原CO2

随着双链DNA导电性能的发现，由其介导的长程氧化还原过程的机理和应用成为生物化学和电子纳米器件等领域的一大研究热点。这一电子传递性质不仅承担着各类DNA亲和蛋白间的氧化还原信号的传导，对DNA复制、修复和转录都起着化学调控的重要作用，广泛应用于核酸和蛋白质的电化学传感。虽然DNA的导电性质在氧化还原生物催化反应的潜力得到了高度重视，但有关这一性质的实际应用却鲜有报道，特别是其在多相催化反应的应用。邵昉伟课题组最近研究发现，不论是在固体表面还是水溶液中，由非常规的G-四链体DNA组装而成的纳米线都表现出比双链DNA更高的导电效率。G-四链体与平面芳香配体的金属配合物具有很高的亲和力，并表现出特征的拓扑结构性质。酞菁及其衍生物就是其中一类以G-四链体为靶向的小分子配体，两者结合能够导致金属酞菁化合物在G-四链体上的定向排布。其中锌、铝、镓等金属酞菁配合物作为光敏剂已经普遍运用于光动力疗法的有关技术中；而钴酞菁则作为催化中心，广泛用于非均相电化学还原CO₂的研究中。

CO₂是主要的温室气体，同时也是重要的C1资源。电化学方法将CO₂转化为有用的燃料是模拟光合作用的暗反应，非常具有应用前景。迄今为止，大多数CO₂电还原的研究都集中在加快电极和金属催化中心、电极表面的金属络合物之间的氧化还原过程，包括通过引入骨架材料（有机聚合物、碳纳米管等）来介导电子转移并促进金属催化中心与CO₂之间的氧化还原反应。而对于生物大分子，如核酸和金属蛋白，虽然人们将其作为人工光合作用光反应的电子转移介质已经得到了广泛的研究，但是在CO₂还原领域的探索尚是一片空白。

近日，新加坡南洋理工大学的邵昉伟（点击查看介绍）课题组和张华（点击查看介绍）课题组合作，首次报道了以生物分子自组装的刚性G-四链体纳米线为支架结构，定向排布与其结合的金属配合物，通过有效介导电荷传递过程，显著提高了金属催化中心对CO₂电催化还原的电流密度，并实现了在较低的过电位下，高选择性地还原CO₂转化成小分子能源化合物。这一研究利用导电的生物大分子作为介质，搭建了人工光合作用中明暗反应之间的联系，填补了这一领域的空白。

G-四链体纳米线对不同的金属催化中心表现出相似的定向排布效果和高效的电子传递介导性能，以G-四链体为电导线，在纳米尺度上，加速了不同金属催化剂分子之间以及催化中心与电极之间、与CO₂气体之间的电子交换频率，因而有效提高了CO₂的还原速度，同时降低了水还原反应对其过程的干扰，实现了电还原CO₂的高反应性和对产物的高选择性。此外，作者还展示了G-四链体纳米线修饰的电极还可以通过结合不同的金属催化中心，实现高效率和高选择性地在CO₂转化的气体或液体产物之间自由切换。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章的第一作者是南洋理工大学邵昉伟课题组的博士研究生何蕾。

该论文作者为：Lei He, Xiaofu Sun, Hua Zhang and Fangwei Shao

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

G-quadruplex Nanowires To Direct the Efficiency and Selectivity of Electrocatalytic CO₂ Reduction

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12453, DOI: 10.1002/anie.201806652

邵昉伟博士简介

邵昉伟，新加坡南洋理工大学数理学院化学与生物化学系南洋助理教授，2007年于加州理工大学取得博士学位，2007年至2010年在哈佛大学医学院/麻省总医院从事博士后研究，2010年起就职于南洋理工大学。

在高度交叉的学术界面上，邵昉伟从化学生物学、生物无机化学、生物工程和生物纳米科学等多个角度从事对天然和非天然核酸大分子的研究，探索复杂核酸纳米结构在分子导电、分子机器、生物材料和纳米尺度自组装等方面的性能，在相关领域发表SCI论文40余篇，包括以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nucleic Acids Res. 等期刊上发表近30篇，获授权发明专利5项。

http://www.x-mol.com/university/faculty/4453