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化“腐朽”為“神奇”！微生物腐蝕構(gòu)建高效析氧催化劑

2020-12-21 10:57:15 作者：本網(wǎng)整理來源：華中科技大學(xué) 分享至：

近日，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授、劉宏芳教授、郭興蓬教授帶領(lǐng)的能源材料服役與防護(hù)團(tuán)隊(duì)在高效鎳鐵基析氧催化劑取得最新研究進(jìn)展。他們采用微生物腐蝕方法構(gòu)筑鐵硫物種修飾的鎳鐵氫氧化物納米層，從而大幅提升其析氧催化活性。該方法將傳統(tǒng)腐蝕工程和新能源技術(shù)有效地結(jié)合起來，相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《Nature Communications》上。

夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)聚焦傳統(tǒng)腐蝕電化學(xué)和現(xiàn)代能源電化學(xué)交叉，專注能源材料與技術(shù)的服役與失效領(lǐng)域，研究并利用腐蝕電化學(xué)等制備關(guān)鍵能源材料并改善其服役水平和壽命。

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腐蝕電極的制備、形貌和結(jié)構(gòu)表征示意圖

當(dāng)前，隨著人類環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)和對(duì)清潔能源需求的不斷增加，開發(fā)可替代的新能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)體系勢(shì)在必行。析氧反應(yīng)在各種可再生能源包括金屬空氣電池和電解水中處于重要地位，其緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)需要價(jià)格昂貴、資源稀缺的貴金屬催化劑。因此，開發(fā)成本低、環(huán)境友好、高性能的析氧催化劑對(duì)于清潔能源的發(fā)展具有重要意義。近年來，高活性鎳鐵基催化劑的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得突破，然而，自下而上的制備方法需要復(fù)雜的前驅(qū)體溶液和嚴(yán)格的合成條件以實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，阻礙了此類電催化劑的大規(guī)模應(yīng)用。

針對(duì)上述難題，夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)采用微生物腐蝕策略自上而下構(gòu)筑了硫化亞鐵修飾的鎳鐵氫氧化物納米層，從而大幅提升了鎳鐵氫氧化物納米層的析氧活性，其腐蝕電極在10mA/cm2的電流密度下僅需220mV的過電位。X射線同步輻射吸收光譜和理論計(jì)算表明，由化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的鎳鐵氫氧化物和硫酸鹽還原菌代謝生成的鐵硫物種之間的協(xié)同作用改善了腐蝕電極的催化活性。

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這項(xiàng)工作不僅提供了一種高效的電催化析氧反應(yīng)催化劑，更重要的是展示了一種簡(jiǎn)單的微生物誘導(dǎo)電化學(xué)氧化還原法構(gòu)筑高效電極材料的策略，將傳統(tǒng)腐蝕工程與新興電化學(xué)能源技術(shù)有效地結(jié)合起來，為開發(fā)環(huán)境友好、性能更加優(yōu)異的電催化材料提供了新思路，有望激發(fā)研究人員對(duì)化學(xué)、生物學(xué)、工業(yè)腐蝕、納米材料設(shè)計(jì)和現(xiàn)代能源技術(shù)之間多學(xué)科交叉的研究興趣，對(duì)發(fā)展新能源技術(shù)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。