O₂的选择性催化还原是小分子活化与催化转化中备受关注的问题。有趣的是，广泛存在的细胞色素c氧化酶（CcO）专一性地负责了生命体中90%以上的氧气到水的转化过程，其活性中心由一个血红素单元和一个铜基辅因子共同组成。研究表明，铜铁的协同作用是其实现四电子氧气还原催化的关键。但CcO的复杂性使得人工设计的血红素-铜模型物大多难以实现其特异性的催化功能。

受CcO中铜铁异核双金属协同催化的启发，清华大学基础分子科学中心章名田副教授课题组利用简单、易修饰的非血红素型配体，设计并合成了首例非血红素型异核铜铁氧气还原催化剂（CuFe-OAc）。该异核双金属催化剂表现出了高效的催化活性（2400 s^-1）和四电子还原选择性（96%），远优于其同核双金属类似物CuCu-OAc（TOF：2.7 s^-1；H₂O₂%高达98%）和FeFe-OAc（无活性）。这表明异核铜铁双金属催化剂在四电子氧气还原反应中展现了显著的异核双金属协同催化效应。机理研究表明，由于金属中心的配位几何的影响，低价的Cu^IFe^II物种与氧气结合后易形成三元环过氧物种Cu(μ-η¹:η²-O₂)Fe，而Cu^ICu^I催化剂则倾向于形成链式的Cu(μ-η¹:η¹-O₂)Cu过氧物种。Cu(μ-η¹:η²-O₂)Fe中间体受Cu^IIFe^III中心电荷调控的影响，能够有效的发生质子耦合电子转移引发O-O键的断裂最终实现高选择性的氧气到H₂O的转化，而Cu(μ-η¹:η¹-O₂)Cu中间体则更容易直接发生质子化转化释放出H₂O₂。

简而言之，本工作发展了首例非血红素型异核CuFe氧气还原催化剂，实现了高效且选择性还原氧气为水，并揭示了Cu/Fe双金属协同催化O-O键断裂机制，为设计高效和高选择性氧气还原催化剂的设计提供了新策略。