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Nature Chemical Engineering《自然-化学工程》
，于2024年1月正式上线
，主要出版应用化学和物理学领域的前沿研究，并面向广泛的科学界，如化学工程师、化学家、物理学家、环境学家和材料科学家等。期刊主编Tom Dursch说：“不仅出版一流的化学和环境工程学内容，还将覆盖与化学品更广泛的工业应用密切相关的领域及其所带来的挑战，尤其是从工程和可持续性的角度。”
作为一种开源性期刊，其首期已于1月11日上线，小编就带大家一览Nature Chemical Engineering上的部分内容。
Nature Chemical Engineering：工
程氧化还原活性电化学介导的CO
2
捕获系统
随着大气中CO
2
浓度的不断增加，以及将全球气温控制在比工业化前水平高1.5 ℃以内的承诺，对多用途、低成本的CO
2
捕集技术的需求至关重要。电化学介导的CO
2
分离系统具有低能量、模块化可扩展性和易于实施的优点，可直接集成可再生能源，实现净负CO
2
操作。由于成本和足迹，与氧化还原活性物质传输、气体传输和气泡形成相关的能量损失限制了体积生产率和规模化潜力。
基于此，
麻省理工学院T. Alan Hatton等人
报道了工程方法对提高氧化还原活性电化学介导的CO
2
捕获系统的性能的重要性，使其能够广泛实施。
电化学介导的碳捕获（EMCC）具有几个有前途的特点：模块化、低能耗和与高容量因子、低碳强度能源的集成。通过适当的氧化还原活性化学，几种系统配置是合理的，并具有各种权衡。四级配置的电化学电池提供了一种更简单的设计，可以很容易地扩展以匹配现有碳捕获基础设施或分布式环境空气捕获中所需的CO
2
流速。两级和三级配置可能提供更小的占地面积和更低的能耗，但可能会影响吸附剂的利用率，进一步减少传质阻力以提高电池电流密度和减少气泡形成对这些系统的有害影响，将使它们能够大规模应用。最后，作者对EMCC系统进行更全面的成本核算和范围界定可以为关键改进领域提供信息，并允许与现有分离方法进行更直接的比较。
Engineering redox-active electrochemically mediated carbon dioxide capture systems.
Nat. Chem. Eng.,
2024
, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00003-3.
Nature Chemical Engineering：
电化学过程中BPMs的多尺度物理
双极膜（BPMs）是一类离子导电聚合物（离聚体），由两层固定电荷相互粘附组成，在两层之间有催化剂层（CL）。其中一个离子层，阳离子交换层（CEL），含有固定的负电荷；另一层是阴离子交换层（AEL），包含固定的正电荷。在电化学系统中，BPMs有两种工作模式：正向偏置和反向偏置，其能够控制离子浓度和电化学电池的通量，应用领域广泛。基于此，
劳伦斯伯克利国家实验室Adam Z. Weber和加州大学伯克利分校Justin C. Bui等人
报道了BPMs开发中的挑战和机遇。
首先，作者简要地讨论了离聚物的物理化学性质。接着，作者从热力学、传输现象和化学动力学的角度讨论BPMs的物理性质，其中提出了结构-性能-性能关系，为BPMs开发和集成到电池和反应器中提供指导。这些原则将三个新兴BPMs应用的性能背景化：（1）水电解和二氧化碳还原（CO
2
R）；（2）液体流动电池和燃料电池；（3）环境修复。最后，作者还讨论了BPMs大规模应用中的当前挑战，并展望了化学工程洞察力的机会，以帮助提高BPMs系统的耐久性、性能和规模。
Multi-scale physics of bipolar membranes in electrochemical processes.
Nat. Chem. Eng.,
2024
, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00009-x.
Nature Chemical Engineering：
JNU-3a助力乙烯从C
2
-C
4
炔烃中分离
分子筛吸附剂可以在分子大小方面提供最大的吸附选择性，但从三种或更多组分的混合物中区分中等大小的分子仍然具有挑战性。基于此，
暨南大学李丹教授和陆伟刚教授等人
报道了一种金属有机骨架（JNU-3a），其在一维（1D）通道上具有正交阵列动态分子口袋，能够在一次吸附步骤中从乙炔（C
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H
2
）、丙炔（C
3
H
4
）和正丁炔（1-C
4
H
6
）的混合物中产生高纯度的乙烯（C
2
H
4
）。原位单晶X射线衍射研究揭示了分子口袋在吸附C
2
H
2
、C
2
H
4
、C
3
H
4
或1-C
4
H
6
时的动态行为。这三种炔烃的结合能明显高于C
2
H
4
的结合能，可以从它们的吸附热（由平衡吸附数据计算或用差示扫描量热法测量）中看出。
实验室规模的柱穿透实验（使用1.4 g JNU-3a）在较宽的流量内，甚至在潮湿条件下进行，并证明了JNU-3a从C
2
H
2
/C
3
H
4
/1-C
4
H
6
/C
2
H
4
混合物中分离出高纯度C
2
H
4
的能力。此外，作者进一步演示了在中试柱穿透装置（使用107 g JNU-3a）上，从C
2
H
2
/C
3
H
4
/1-C
4
H
6
/C
2
H
4
混合物（1: 1: 1: 97）中在气瓶中收集高纯度C
2
H
4
（≥99.9995%），每次运行超过30次循环平均收集76.1 g C
2
H
4
。JNU-3a在吸附位点（分子口袋）上的竞争可以忽略不计，可通过同时去除C
2
H
2
、C
3
H
4
和1-C
4
H
6
“一步法”生产高纯度的C
2
H
4
。总之，JNU-3a通过同时去除C
2
-C
4
炔烃，可能具有很强的工业C
2
H
4
净化潜力。
Dynamic molecular pockets on one-dimensional channels for splitting ethylene from C
2
-C
4
alkynes.
Nat. Chem. Eng.
,
2024
, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00004-2.
Nature Chemical Engineering：
自动驾驶实验室在蛋白质健康领域自主导航
蛋白质工程在化学、能源和医学领域有着几乎无限的应用，但创造具有改进或新颖功能的新蛋白质仍然是缓慢、劳动密集型和低效的。基于此，
美国威斯康星大学麦迪逊分校Philip A. Romero等人
报道了一种用于全自动蛋白质工程的自动驾驶自主机器蛋白质景观探索（SAMPLE）平台，该平台可在没有人为干预、反馈或主观性的情况下快速设计蛋白质。SAMPLE由一个智能代理驱动，该代理从数据中学习蛋白质序列-功能关系，并设计新的蛋白质来测试假设。该试剂通过全自动机器人系统与物理世界相互作用，通过合成基因、表达蛋白质和对酶活性进行生化测量，对设计的蛋白质进行实验测试。智能代理和实验自动化之间的无缝集成，使得完全自主的设计-测试-学习周期能够理解和优化序列-功能景观。
作者研究了四种独立的SAMPLE试剂来导航糖苷水解酶景观，并发现具有增强耐热性的酶。代理的优化轨迹从探索行为开始，以了解广泛的景观结构，然后迅速收集到高度稳定的酶，比初始起始序列稳定至少12 °C。作者观察到由实验测量噪声引起的单个代理的搜索行为存在显著差异，但所有代理在搜索不到整个景观2%的情况下都能可靠地识别出耐热设计。SAMPLE代理通过主动信息获取不断完善对景观的理解，以有效地发现优化的蛋白质。SAMPLE是一个通用的蛋白质工程平台，可以广泛应用于生物工程和合成生物学领域。
Self-driving laboratories to autonomously navigate the protein fitness landscape.
Nat. Chem. Eng.
,
2024
, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00002-4.
Nature Chemical Engineering：
组织再生和生物电子学中的单片到焦点进化生物界面
材料生物学界面是疾病诊断和治疗的基本要素，其中单片生物接口更容易实现，但分布式和焦点接口具有更动态、侵入性更小的优点。基于此，
芝加哥大学田博之教授和Jiping Yue、伊利诺大学芝加哥分校Petr Král等人
报道了利用天然前体构建了一个颗粒释放的水凝胶平台，该平台显示了单片到焦点的生物界面，从而扩展了传统单片或焦点生物界面的形式、传递方法和应用领域。
单个颗粒被嵌入响应性水凝胶基质中，然后转化为各种宏观形状，如绷带和生物电子-凝胶混合物，以增强宏观操作。颗粒可以从宏观形态中释放出来，在体内和体外建立局部生物黏附，分子动力学（MD）模拟揭示了黏附机制。随着设计的不断发展，作者们证明了颗粒释放水凝胶有效地治疗溃疡性结肠炎，愈合皮肤伤口和减少心肌梗死。此外，当颗粒释放水凝胶被纳入柔性心脏电生理测绘设备时，作者证明了改进的设备操作和生物粘附性。本工作提出了一种构建动态生物界面的方法。
Monolithic-to-focal evolving biointerfaces in tissue regeneration and bioelectronics.
Nat. Chem. Eng.
,
2024
, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00008-y.
Nature Chemical Engineering：
木质素提炼厂的C-C键断裂
碳-碳（C-C）键在木质素中普遍存在，限制了当前解聚策略的单体产量，主要针对C-O键。在没有预官能化的情况下，对固有惰性的σ型C-C键进行选择性断裂还是一个挑战。基于此，
荷兰埃因霍芬理工大学Emiel J. M. Hensen、东南大学肖睿教授和骆治成研究员等人
报道了一种温和的还原性催化方法，在初始破坏不稳定的C-O键的情况下，木质素中C-C键的断裂，使单环烃的产量比以前报道的要高一个数量级。在本文中，作者采用双功能Pt/H-MOR催化剂来解聚技术木质素，以比文献报道的高2-11倍的收率获得单体。
在相对较低的温度（300 ℃）下，7种不同木质素中芳基-芳基、芳基-烷基和烷基-烷基的选择性裂解说明了该方法的实用性。机理研究表明，H-MOR中的Brønsted酸位点可以直接裂解芳烷基键。Pt/H-MOR双功能催化剂催化芳基-芳基和烷基-烷基化合物的裂解，其中Pt使芳基部分氢化并在烷基部分引入双键，随后酸催化β-裂解。这种方法大大提高了单体产率，最佳结果是比所研究木质素的传统最大单体产率提高了58-409%。技术经济分析表明，该方法在生产汽油和喷气式飞机范围内的环烷烃和芳烃方面很有前景，而生命周期评估证实了它在生产CO
2
中性燃料方面的潜力。
Carbon-carbon bond cleavage for a lignin refinery.
Nat. Chem. Eng.
,
2024
, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00006-0.
Nature Chemical Engineering：
柔性卷边形微纤维助力液体传输
液体定向传输在基础研究和工业应用中都具有重要意义，但大多数现有的策略都依赖于使用预先设计的具有复杂微结构的表面，限制了液体传输的多功能性和普适性。基于此，
东南大学赵远锦教授和复旦大学商珞然研究员等人
报道了一种利用微流体制造柔性裙边型纤维，作为广泛采用的使用预先设计的具有复杂微结构的表面策略的替代方案。通过压电控制，在微流体通道中开发了一种振动流动结构，并将这种结构转化为具有轴向排列的尖锐边缘和环形连接楔形角的实体裙边型微纤维。
当放置在没有任何特别设计的表面结构的普通亲水性基板上时，单个超细纤维可以与基板形成间隙，从而实现定向液体传输。通过高速摄像机对其传输行为的详细观察表明，传输过程包括单向钉扎、通过间隙的连续传输和毛细血管上升引起的微腔填充。同时，作者发现具有相同或相反角取向的一对紧密相邻的纤维会产生各种各样的液体传输现象，并不局限于液体或表面润湿性的类型。最重要的是，微纤维使液体能够沿着3D路径传输，因为它们本质上是柔性的。基于这些优势，该平台被应用于液滴操作、长距离液体输送和油水分离。本研究结果证明了所提出的平台的多功能性和通用性，作者还设想了在开放微流体、沿3D路径的液体传输以及能源和环境工程中的广泛应用。
Flexible hemline-shaped microfibers for liquid transport.
Nat. Chem. Eng.
,
2024
, DOI: https://doi.org/10.1038/s44286-023-00001-5.
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