你扔掉的虾蟹壳，贵师大科研团队将其变身“高效催化剂”，效率达到国际领先水平

贵州日报报刊社2026-04-17 17:35:03热度：

4月13日，走进贵州师范大学材料与建筑工程学院的材料物理实验室，空气中弥漫着淡淡的试剂味。在贵州师范大学材料与建筑工程学院（贵州应急管理学院）副教授裴响林的指导下，学生手持试管，将从虾蟹壳中提取的‌甲壳素‌缓缓倒入烧杯中，并时刻关注溶液的变化。

这是虾蟹壳“蜕变”的关键一步，也是他带领的生物质催化与绿色合成科研团队重复无数次的科研日常。

裴响林（右三）指导学生开展实验

“‌甲壳素‌是一种‌天然高分子多糖‌，是自然界含量仅次于纤维素的多糖，然而这类天然高分子质地顽固，难以直接利用。”而裴响林团队的突破口，就藏在这套低温碱尿素水体系中，这项技术能“温柔”破解天然高分子的顽固结构，让其变得更容易加工利用。

裴响林说，别小看这些不起眼的虾蟹壳，它们经过研磨、改性和层层淬炼，就能变成功能材料或医药中间体合成中的高效催化剂。

转化过程并非想象中那么容易，虾蟹壳固废需历经清洗、脱矿、脱蛋白、脱色、改性等多道工序，才能提取出纯净的甲壳素。而这，也仅仅是科研的起点。

裴响林在查看实验数据

提取出甲壳素或其衍生物壳聚糖后，还要将其改性为可承载金属单原子的载体，最终制成高性能催化剂。

而他带领的生物质催化与绿色合成科研团队，就是要以虾蟹壳衍生的甲壳素、壳聚糖为载体，搭配锌、铁、铜等廉价金属，实现“变废为宝”的绿色突破。裴响林说，“我们的目标，是让这些来自废弃物的材料，比肩贵金属催化剂的效能。”

这份突破的背后，是无数次失败与复盘的煎熬。最让裴响林难忘的，是团队为实现金属单原子分散所经历的9个月攻坚。

“单原子催化剂的核心，是让金属原子单独分散在甲壳素或其衍生物壳聚糖载体上，既要均匀附着，又要避免团聚，难度极大。”裴响林回忆，团队最初采用的合成工艺，只能实现纳米级，金属原子大量团聚成簇，导致催化效能大打折扣。

电子显微镜下甲壳素或其衍生物壳聚糖的结构

那段时间，实验室的灯每天都亮到深夜。裴响林和团队成员围着实验台反复调试，调整试剂浓度、优化浸泡时间与温度，修改煅烧工艺。

“最崩溃的时候，连续一个月，每天做十几组实验，没有一组达到预期。”裴响林坦言，他也曾有过动摇，但一想到虾蟹壳固废的浪费现状，想到功能材料、医药中间体合成领域的迫切需求，就咬牙坚持了下来。

他们重新梳理实验思路，发现问题出在甲壳素及其衍生物壳聚糖的孔洞结构上——未经过精准改性的材料，孔洞大小不均，无法有效锚定金属单原子。

于是，团队再次聚焦改性工艺，依托低温碱尿素水体系，反复调控反应条件，一点点优化甲壳素的孔洞结构，让其变得均匀、细密，形成更适合单原子附着的“支架”。他们利用甲壳素及其衍生物壳聚糖本身富含的氮源，与金属形成稳定的活性中心，抑制金属原子团聚。这一优化，又是3个月的反复试验。

利用虾蟹壳制取的溶液

期间，科研团队设计了30多种方案，做了上百组实验，终于在第9个月，成功拿到了第一批合格的单原子催化剂样品。

催化剂制备成功后，新的难题又接踵而至——将其应用于硝基化合物与醇的氮烷基化反应时，反应性能远不及国际前沿水平。

“当时我们很着急，催化剂的结构看似完美，但实际应用时，反应效率、稳定性都达不到预期。”裴响林说。

团队没有气馁，而是反过头来，重新拆解催化剂的结构，探究甲壳素及其衍生物壳聚糖载体与金属单原子的相互作用机制。

于是，团队再次扎根实验室，一边进一步细化孔洞结构；一边调整金属负载量，探索不同反应条件的组合。从温度、压力、催化剂用量、物料比等参数入手，反复调整反复试验。

生物质催化与绿色合成科研团队

历经两年多的探索，团队终于实现了重大突破。他们研发的虾蟹壳衍生单原子催化剂，在含氮功能材料及药物中间体催化中，催化频率（TOF）达到约52 h⁻¹，成为该反应体系的世界最高水平。

这项成果有效降低了合成含氮功能材料及药物中间体的合成温度和压力，催化剂用量也大幅缩减，真正实现了高效、绿色、经济的催化目标。

该科研项目从2022年启动课题，到2026年3月论文在《Nature Communications》正式刊发，历时整整四年。其中，仅投稿到接收就用了1年零4天。

期间，审稿专家就催化剂模型中是否缺少一个氢原子提出了质询。为了回应这一质疑，裴响林带领团队，重新建立了两套模型，历时6个月，通过反复的理论计算和实验验证，最终确认包含氢原子的模型更合理。

裴响林说，科研就是在不断的质疑与验证中前进的。审稿专家的意见像一面镜子，让我们有机会重新审视研究的每一个细节，这种“吹毛求疵”般的严谨，恰恰是推动科研发展的动力，也让我们的成果更具说服力。

他们的研究成果，不仅为农业固废的高值化利用提供了新路径，更精准契合了贵州省新材料、新能源产业集群及贵州大健康医药产业的发展需求。

裴响林课题组在《Nature》子刊上发表高水平论文

据了解，该研究团队长期致力于天然高分子材料化学，热/电催化材料（纳米催化），及其在绿色催化合成领域的应用。近年来相关成果以第一、通讯作者身份在Nat.Commun.,Chem,Adv.Funct.Mater.,Green Chem.,Chem.Eng.J.等国际TOP期刊上发表SCI论文30余篇；获贵州省科技拔尖人才、贵州省高层次人才“千层次”人才称号；获贵州省科技进步二等奖2项。同时，也致力于燃料电池与电解水制氢领域的研究，在高效电催化剂、低能耗制氢技术及长寿命燃料电池等方面取得了系列突破性成果，相关成果发表于《Advanced Materials》《Journal of Energy Chemistry》《Nano Research》等国际知名期刊。技术成果与贵州大力发展新材料、新能源产业集群及贵州大健康医药产业战略方向高度契合。

裴响林表示，我们的目标，是让更多“废弃物”变废为宝，让科研成果真正落地，未来团队将加快与贵州本土材料、医药企业及高校的产学研合作，推动“实验室成果”在黔贵大地加速转化为现实生产力，助力推动贵州精细化工与医药合成产业的绿色升级。

以上全文转自天眼新闻：https://share.eyesnews.cn/news/news-news_detail-news_id-11515117147069.html

一审（校）：田佳林；二审（校）：孟忠常；三审（校）：吴嘉佳