1.顛覆性創新！廈門大學這篇Science歷時七年完成
乙二醇是一種商用化學品，在日常生活的許多領域都有應用。它用作溶劑、汽車散熱器中的冷卻劑、飛機的除冰液以及作為合成聚酯纖維和樹脂的基礎材料。目前全球乙二醇產能約為每年 4200 萬噸，預計到 2025 年將超過 7000 萬噸。銅 (Cu) 是一種價格低廉且用途廣泛的催化劑，從草酸二甲酯 (DMO)批量生產乙二醇，主要就用到銅催化劑。
乙二醇的工業合成主要依賴於乙烯的氧化，然後將環氧乙烷進行熱水合處理，這是由聯合碳化物公司在 1930 年代提出的工藝（圖1）。然而，乙烯是一種石油基化學品，最近出現了使用更可持續的原料合成乙二醇的其他路線，即使用合成氣。合成氣是煤或生物質的氣化產物，主要包括氫氣和一氧化碳（CO）的混合物，利用合成氣合成乙二醇也是一種非常重要的路徑，該路線包括通過與甲醇的氧化偶聯將 CO 轉化為 DMO，然後將 DMO 加氫。
該合成序列中最具挑戰性的部分是將 DMO 氫化成乙二醇，因為反應需要高溫高壓的氫氣。銅等金屬可以催化 DMO 的氫化，但發生反應所需的劇烈條件可能導致催化劑失活以及安全和環境問題。
為了穩定 Cu 催化劑以使 DMO 的催化加氫反應更加安全，廈門大學謝素原院士、袁友珠教授等人提出了將 Cu 與富勒烯單元相關聯的想法，以在整個氫化過程中保持金屬的各種氧化態之間的平衡。通過將傳統的銅催化劑與富勒烯相關聯，該方法穩定了催化物質，並能夠在溫和的壓力條件下將 DMO 氫化成乙二醇。
Cu 可以以多種氧化態存在，從元素 Cu0到離子 Cu4+，但只有 Cu0和 Cu+可用於 DMO 到乙二醇的加氫反應。通常認為Cu0和Cu+以協同方式作用，Cu0促進H2的解離，Cu+促進H向DMO的添加。富勒烯，特別是 C60「巴基球」，具有電子活性，可以接受並在某種程度上回饋電子。作者利用了這種電子緩衝特性，設計了一種在惰性二氧化硅基底上結合 Cu 和 C60的複合催化劑：C60–Cu/SiO2。在此設計中，富勒烯與Cu 發生電子相互作用，以保護不穩定的 Cu+免受氧化和還原，並保持具有催化活性的 Cu0/Cu+比率。富勒烯對銅具有緩衝作用的證據是通過循環伏安法等技術獲得的，並得到理論計算的進一步支持。可以證明 C60可以依次作為單電子受體（來自 Cu0）和供體（至 Cu2+），以防止活性 Cu+催化劑的氧化態發生改變。
圖2.Cu/SiO2和 C60-Cu/SiO2(C60, 10 wt %; Cu, 20 wt %)的催化性能
與傳統的 Cu/SiO2催化劑相比，富勒烯緩衝的 Cu 催化劑 C60–Cu/SiO2在 DMO 的氣相轉化中表現出很強的性能。在 C60–Cu/SiO2的催化下，轉化反應可以在環境氣壓下的H2中進行，而到目前為止，標準催化劑需要超過 20 bar 的高氫氣壓力。在環境氣壓下，與 Cu/SiO2相比，C60–Cu/SiO2催化劑的乙二醇產率（98%）提高了 10 倍，並且由於產生的副產物更少，因此選擇性更高。使用 12 克 C60–Cu/SiO2可以在約 180°C 的 1000 小時工作時間內，在不改變催化劑的情況下以公斤級別生產乙二醇。反應完成後，催化劑可回收再利用，活性不損失。C60–Cu/SiO2被進一步用於DMO 相關底物的氫化，再次優於 Cu/SiO2。作為測試，通過在環境氣壓下利用C60–Cu/SiO2進行加氫可以有效地將乙酸乙酯還原為乙醇，而在相同的反應條件下，Cu/SiO2未能催化任何轉化反應。
將富勒烯與 Cu 締合的概念為活性催化物質的原位穩定難題提供了獨特的答案。C60的這種緩衝作用產生了一個特別有效的系統，該系統的優勢在環境氣壓下的加氫反應中以及在將 CO2電化學還原為 CO 的過程中得到了驗證。因為 DMO 可以從 CO 合成，所以 C60–Cu/SiO2可以被視為一種二合一催化劑，用於生產粗製 CO（DMO 的前體）以及隨後將DMO 還原為乙二醇。
圖3.C60-Cu/SiO2(C60, 10 wt %; Cu, 20 wt %)催化劑表徵
開發可靠耐用的催化劑對化學工業至關重要。考慮到富勒烯的商業可用性，使用 C60-Cu/SiO2的加氫技術預計將很快充分成熟，這表明其在不遠的將來可以實現工業化生產，以實現更高的成本效益和更大的可持續性優勢。
這一科研工作歷經3代研究生的共同努力，6個課題組的精誠合作，1家企業的積極量產，得以順利完成。早在2015年1月24日，在化院的年度科研工作會議上，謝素原教授（時任學院教授委員會副主任並主持會議）對袁友珠教授報告的「醚酯催化與轉化」研究提出了可否對Cu/SiO2進行富勒烯摻雜以調控表面電子性質的建議。博士生鄭建偉（現於牛津大學從事博士後研究）第一個進入到C60-Cu/SiO2這一開拓性研究方向，並很快就取得了令人鼓舞的催化實驗原始數據，碩士生崔存浩（現於上海交通大學攻讀博士學位）在電化學研究所的時康教授的悉心指導下以循環伏安法精巧表徵了富勒烯與銅的電子轉移現象。隨後，博士生黃樂樂和碩士生劉旭鋒全面參與了規模化試驗和催化表徵等工作，其中，規模化試驗得到了中科院物構所姚元根研究員、郭國聰研究員、曹新醫博士和林凌博士等全力支持和幫助。此外，催化劑量產得到了廈門福納新材料科技有限公司朱常鋒總經理和楊童宗工程師的鼎力協助，理論計算工作則是由博士後陳佐長和博士生營思維完成，我院朱紅平教授、段新平工程師和杜鵬博士生等也參與了有關前期研究工作，鄭蘭蓀院士對整體研究工作提出了指導性意見。
Jianwei Zheng et al. Ambient-pressure synthesis of ethyleneglycol catalyzed by C60-buffered Cu/SiO2. Science 2022, 376, 288-292.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm9257Edmond Gravel et al.Fullerenes make copper catalysis better.Science. 2022.DOI: 10.1126/science.abo3155https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo3155
2. Nature：Cu表面越平坦，抗氧化能力就越強！
銅的氧化嚴重影響使用性能，尤其在半導以及光電器件等領域。為此，全球科學家為銅的抗氧化以及可能的鈍化策略付出了大量心血，也湧現出了許多奇思妙想。
例如，原位觀察表明銅的氧化涉及台階面，即銅原子從台階處脫離並在台階上擴散，擴散出的銅原子由於高的表面能，極容易被氧化，因此導致Cu2O在整個平的平面生長。但是這僅能解釋為什麼單晶銅比多晶銅更具抗氧化能力，無法揭示平坦的銅表面難以氧化這一事實。
有鑑於此，美國密西西比州立大學的Seong-Gon Kim & 韓國成均館大學的Young-Min Kim&韓國釜山國立大學Se-Young Jeong課題組選擇更易構建超平坦面的緊密堆積Cu(111）面，利用原子濺射外延 (ASE)法生長了單晶Cu(111)薄膜(SCCF)，其緊密協調的平坦面具備半永久的抗氧化能力，因為這些平坦面只有偶爾的單原子台階。並且理論計算表明，單原子級的台階面具備和平坦面一樣的不滲O的能力，並且一旦氧在面心立方（fcc）表面位點覆蓋度達到50%，氧原子的吸附就會被抑制，因此解釋了超平坦銅表面的優越的抗氧化能力。
圖1. 通過ASE生長的SCCF表面。(a) 在 [1-10] 取向上觀察到SCCF表面區域橫截面的HRTEM 圖像、模擬的圖像以及碳-銅超晶胞的模型；（b, c）通過 GPA 從HRTEM 圖像獲得的平面內 (Exx) 和平面外 (Eyy) 應變場圖（綠色區域為銅，灰色區域為碳）；（d）對於（111）層間距(d(111)=0.21nm)，沿面外方向獲得的實驗和模擬強度分布；（e）同時獲得地SCCF表面區域的ADF-STEM 和 ABF-STEM 圖像。
使用高分辨（掃描）透射電子顯微鏡 (HR(S)TEM)和幾何相位分析 (GPA)表徵具有超平坦表面的 110 nm 厚 SCCF 的表面和結構特徵。截面STEM圖像（圖1a，e）顯示銅薄膜沿[111]方向生長，因此導致只有單個原子的台階-邊緣結構，並沒有觀察到多原子台階邊緣結構以及固有缺陷，例如晶界以及堆垛層錯。而且，最外層銅表面層原子構型與內部相同，即使在台階邊緣位置也沒有觀察到表面鬆弛或表面氧化引起的結構改變。使用GPA技術測試近表面的應力行為以及晶格位錯（圖1b，c）。應力場圖顯示在整個近表面觀察區域沒有明顯的晶格應力，表明SCCF有近乎完美的原子結構，沒有空位以及位錯等結構缺陷。通過對比實驗以及模擬的(111)面的層間距也可以證明Cu表面和塊體Cu具有相同的結構。SCCF的環形暗場（ADF）和環行明場（ABF）STEM同樣證實其超平坦表面（圖1e）。有趣的是，作者發現SCCF在暴露於空氣中1年多後，仍然保持着超平坦和原始的表面(圖2a-d)，這表明SCCF具有特殊的抗氧化性能。
圖2. SCCF表面的長期抗氧化性和結構穩定性。（a）SCCF 在室溫下暴露於環境空氣中約 1 年（頂）的低倍率 BF-TEM 圖像。結果表明，整個 SCCF的原子級平坦表面形態幾乎保持不變。SCCF表面區域（紅色矩形標記）的 HRTEM 圖像（底部）；(b)沉積（紅色）和放置1年的（藍色）樣品之間（111）面的強度分布比較；(c)EBSD圖顯示沿(111)面的完美對齊；(d)與（111）平面相關的IPF；(e)沿着[1-10]取向的放置3年的SCCF表面區域的HRTEM圖像（頂部）和由GPA從HRTEM 圖像獲得的平面內(Exx) （中部）和平面外 (Eyy) （底部）應變場圖；(f) 區域 1（頂部）、區域 2（中）和兩個區域（底部）的 FFT 模式；(g)具有不同表面粗糙度的 PCCF 和 SCCF 樣品的熱重分析。
低倍明場TEM（BF-TEM）（圖2a，頂）以及截面HRTEM圖（圖2a，底）顯示單個原子的台階-邊緣結構在空氣中暴露1年後依然保持不變。沉積態(紅色)和1年(藍色)樣品(111)面的兩個強度曲線(圖2b)顯示 (111)面的平面層間距的變化，兩者吻合較好，表明長期暴露於空氣的SCCF中也沒有發生明顯的氧化。電子背散射衍射(EBSD)圖（圖2c）和反極圖(IPF) (圖2d)表明，1年後晶格偏離(111)晶面沒有發生錯配。利用GPA技術獲得的應變場圖(Exx和Eyy)表明（圖2e），覆蓋層具有與SCCF不匹配的新的晶格結構。區域1（圖2f，頂）和區域2（圖2f，中）以及兩者（圖2f，底）的快速傅里葉變換 (FFT)圖表明兩個區域分別屬於Cu2O和Cu，說明部分表面Cu被氧化。然而，Cu2O只有少數幾層，與多晶Cu中天然氧化層的厚度相比，氧化層厚度較薄。對比不同表面粗糙度的多晶銅薄膜（PCCF）和SCCF樣品的熱重分析可以發現，具有單個原子台階邊緣的SCCF在高溫下表現出優異的抗氧化性能(圖2g)。
圖3. 界面結構和晶體學關係。(a) 具有(111)Cu[11-2]Cu//(001)Al2O3[110]Al2O3取向關係的Cu-Al2O3異質界面的截面HRTEM圖；(b) HRTEM 圖像中Cu 和 Al2O3區域的 FFT 圖；(c) a中虛線框標記的區域的放大HRTEM圖像；(d) Cu-Al2O3異質界面的ABF-STEM圖像和疊加原子模型；(e) 在 d 中通過 Cu- Al2O3之間的界面獲得的反轉強度曲線；(f) Cu-Al2O3異質界面的平面HRTEM 圖像，插圖是 HRTEM 圖像的 FFT圖；(g, h) Cu在Al2O3襯底上生長的外延模型的側視圖(g)平面圖 (h)。
薄膜與襯底的界面結構決定性地影響表面的平整度，而界面結構可以通過位錯等結構缺陷來鬆弛。基於此，作者利用利用HR(S)TEM表徵了Cu薄膜與Al2O3襯底的界面結構(圖3)。圖3a-b顯示Cu和Al2O3的晶體學取向關係（OR）是(111)Cu[11-2]Cu//(001)Al2O3[110]Al2O3，並且Cu晶格無缺陷地粘附與Al2O3襯底。光敏ABF-STEM成像(圖3d)表明，生長在O端Al2O3表面的Cu界面模型與實驗異質結構吻合良好。通過Cu-Al2O3界面獲得的倒置強度剖面(圖3e)清楚地印證了Cu層和Al層之間存在O層，從而表明界面處存在Cu-O相互作用，其O終端層可以穩定Al2O3表面。由於面內晶格失配，可以在 Cu-Al2O3異質結構的平面圖中觀察到大尺度干涉圖案，即莫爾圖案（圖3f）。由相同OR的Cu-Al2O3外延模型生成的模擬莫爾圖形與實驗莫爾圖形一致，呈現重複的大尺度對比特徵(圖3g, h)。這種垂直的OR觀察證明Al2O3襯底上的SCCF的生長機制是基於大規模失配外延關係而不是原子尺度的晶格關係來理解。
總之，作者利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）表徵手段直接觀察到Cu表面原子排列，利用幾何相位分析 (GPA)得到Cu表面的應力分布圖等。根據這些表徵，作者發現利用外延濺射外延法生長的單晶Cu(111)薄膜具備半永久的抗氧化能力,並且證明沒有多個原子的台階的超平坦的Cu(111)面是實現超強抗氧化能力的關鍵。
Su Jae Kim et al. Flat-surface-assisted and self-regulated oxidationresistance of Cu(111). Nature 2022.DOI: 10.1038/s41586-021-04375-5https://doi.org/10.1038/s41586-021-04375-5
3. 首次發現！Science：銅如何殺死癌細胞？銅和其他微量金屬對生命至關重要。然而，重要的是這些金屬在細胞中以適量的形式存在。太少的金屬會損害重要的金屬結合酶的功能，而太多的金屬會淹沒細胞，導致死亡。在人類中，導致過量銅積累的突變會危及生命，但可能存在一個窗口，使得細胞內銅的更集中增加可用於選擇性殺死癌細胞。因此，更好地了解銅積累如何導致細胞毒性具有重要意義。
近日，博德研究所Todd R. Golub等人揭示銅毒性涉及特定線粒體代謝酶的破壞，從而引發一種不尋常的細胞死亡機制。這種機制可以解釋與遺傳性銅過載疾病相關的病理學，並提出利用銅毒性治療癌症的新方法。成果發表在Science上。
應激源——包括 DNA 損傷、蛋白質錯誤摺疊或細胞骨架的破壞——都可能由於細胞凋亡途徑的激活而導致細胞死亡。在過去的十年中，在了解必需的微量金屬如何對哺乳動物細胞產生毒性作用方面取得了進展。一個新興的主題是這些不同的金屬可以以不需要細胞凋亡途徑的方式殺死細胞。例如，過量的鋅可以通過抑制三磷酸腺苷(ATP)合成來引發非凋亡性細胞死亡。鐵可以催化有毒膜脂質過氧化物的形成，這是鐵死亡的主要特徵，這是一種獨特的非凋亡性細胞死亡形式。至於銅，來自酵母和哺乳動物細胞的證據將銅毒性與線粒體功能的改變聯繫起來。銅到底是如何破壞線粒體功能的，以及這是如何導致死亡的，目前尚不清楚。
該研究在解決銅積累如何破壞線粒體功能方面取得了進展。他們證明，過量的銅可以選擇性地干擾一組代謝酶，這些代謝酶具有獨特的翻譯後修飾，即脂酰化。脂酰化包括將小的含硫代謝物硫辛酸附着到底物蛋白質上。這種靈活且具有化學反應性的附屬物通過在酶複合物中的不同亞基之間擺動、提供或接受電子來實現催化。
只有四種已知的脂酰化酶，它們都存在於線粒體中，包括二氫硫辛酰胺S-乙酰轉移酶 (DLAT)，它是丙酮酸脫氫酶複合物的一個亞基。該課題組發現銅毒性可以通過基因破壞合成硫辛酸所需的酶或單個脂酰化酶本身來抑制。他們還揭示了線粒體酶鐵氧還蛋白1在硫辛酸合成中的先前未知功能，證實了這種酶的破壞會抑制銅依賴性毒性。發現硫辛酸本身與銅結合，並提出這會導致脂酰化的線粒體酶以有毒的方式在該細胞器內聚集。
從機制上講，與銅結合的脂酰化線粒體酶的聚集如何導致非凋亡形式的細胞死亡仍有待充分闡明。該課題組表明這種致命機制不涉及對呼吸的嚴重破壞，這是一個必不可少的能量產生過程，並且銅誘導的死亡不能被脂質過氧化或活性氧積累的化學抑制劑阻止。這將銅誘導的細胞死亡與鋅誘導的細胞死亡以及鐵死亡區分開來。
圖|銅離子載體誘導的細胞死亡是非凋亡、非鐵死亡和非壞死性凋亡
1）一種可能性是，通過同時抑制多種脂酰化酶，銅會突然同時改變許多代謝物的濃度，從而引發急性致死性休克。2）或者，聚集的銅結合酶可以獲得新的催化活性，從而導致產生細胞無法處理的有毒代謝物。除此之外，蛋白質聚集體還可以通過破壞其他線粒體酶的功能來殺死細胞，例如參與鐵硫簇合成的線粒體酶，鐵硫簇是其他酶必不可少的輔助因子。
儘管如此，為什麼由過量銅或其他金屬引發的細胞死亡不會引導細胞走向凋亡等既定的細胞死亡機制尚不清楚。銅毒性的一個誘人的可能性是，除了促進線粒體蛋白質聚集，這種金屬還積極抑制執行凋亡所需的酶。通過這種方式，過量的銅可以通過另一種機制清除細胞死亡的途徑。
該課題組表明銅毒性與線粒體活性之間存在密切聯繫。儘管銅本身不會對線粒體呼吸產生很大影響，但這種金屬的毒性在活躍呼吸的細胞中增強了許多倍。呼吸如何促進細胞死亡尚不清楚。處於更多呼吸狀態的細胞可能會表達更多的脂酰化酶，從而產生更多的聚集體。另一種可能性是，在主動呼吸過程中，通過 DLAT 等脂酰化酶的更高代謝通量可能會增加它們的銅結合親和力，從而導致更大的聚集。無論如何，活躍的線粒體呼吸和銅誘導的細胞死亡之間的聯繫讓人聯想到銅與鐵和鋅一樣，參與了最好被描述為「細胞破壞」的細胞死亡形式，其中一種基本代謝途徑的活動可以當該通路的平穩運行被破壞時，將細胞推向死亡。這些發現還表明，線粒體呼吸的藥理學抑制可能是一種策略，儘管這種策略充滿了潛在的不良副作用，以對抗威爾遜氏病，這是一種由銅輸出蛋白 ATP7B 突變引起的遺傳性銅過載疾病，如果不治療就會致命。
圖|FDX1 和硫辛酸基因是銅離子載體誘導的細胞死亡的關鍵介質
這些新結果也可能會激發探索使用銅治療癌症的研究。在他們的研究中，研究人員使用Elesclomol，一種合成分子，可以結合環境中存在的銅並將其帶入細胞以誘導細胞死亡。Elesclomol 已在用於治療上皮癌的人體臨床試驗中進行了測試，儘管成功率有限。該課題組報道的新機制知識表明，elesclomol 可能在表達大量脂酰化線粒體蛋白和高度呼吸的癌症中效果最好。這種方法可能對天然抵抗細胞凋亡的癌症特別有用，通過利用這種金屬的獨特作用，可以找到一種殺死癌細胞的新方法。
Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins. Science 2022.DOI: 10.1126/science.abf0529https://www.science.org/doi/10.1126/science.abf0529
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原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR
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