中科院化学所张纯喜团队攻克含稀土离子仿生OEC的合成难题，首次制备出稳定的含稀土离子Mn₄YO_4-簇合物和Mn₄GdO_4-簇合物。X-射线单晶结构解析证实这些新型仿生簇合物的核心骨架和配体环境与前期报导的Mn₄CaO_4-簇合物及生物OEC极为相似。例如，它们都拥有一个不对称的Mn₄XO₄核心 (X = Ca²⁺/Y³⁺/Gd³⁺),簇合物外周配体均主要由羧基提供；簇合物整体均呈电中性，四个锰离子价态均为 (III, IV, IV, III）。电化学性能测试证实三种仿生Mn₄XO_4-簇合物 (X = Ca²⁺/Y³⁺/Gd³⁺)具有几乎相同的氧化-还原电位，且电位与生物OEC类似。这些结果说明含稀土离子的仿生Mn4XO4-簇合物不仅模拟了生物OEC的几何结构和电子结构，而且模拟了生物OEC的氧化-还原特性。该工作颠覆了人们关于稀土离子无法在结构和性能上替代OEC中钙离子的认知（C. F. Yocum, Coord. Chem. Rev. 2008, 252:296-305），同时质疑了前人非锰金属离子（如：Ca²⁺,Y³⁺,Gd³⁺）的Lewis酸碱性调控簇合物氧化-还原电位的观点（E. Y. Tsui, et al. Nat. Chem. 2013, 5:293-299）。获得的新型仿生簇合物为研究光合作用水裂解催化中心结构和机理提供了理想的化学模型，同时使仿生水裂解催化剂研制突破了对钙离子的依赖，为发展稳定、廉价、高效人工光合作用水裂解催化剂奠定了基础，有望为实现利用太阳能和水产生获取清洁能源（氢能）开辟新途径。相关研究成果以“Rare-Earth Elements Can Structurally and Energetically Replace the Calcium in a Synthetic Mn₄ CaO 4-Cluster Mimicking the Oxygen-Evolving Center in Photosynthesis”为题于在线发表在J. Am. Chem. Soc.上。