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化“腐朽”為“神奇”！微生物腐蝕構建高效析氧催化劑

2020-12-21 10:57:15 作者：本網整理來源：華中科技大學分享至：

近日，華中科技大學化學與化工學院夏寶玉教授、劉宏芳教授、郭興蓬教授帶領的能源材料服役與防護團隊在高效鎳鐵基析氧催化劑取得最新研究進展。他們采用微生物腐蝕方法構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。該方法將傳統腐蝕工程和新能源技術有效地結合起來，相關研究成果近期發表在《Nature Communications》上。

夏寶玉教授團隊聚焦傳統腐蝕電化學和現代能源電化學交叉，專注能源材料與技術的服役與失效領域，研究并利用腐蝕電化學等制備關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、形貌和結構表征示意圖

當前，隨著人類環保意識的日益增強和對清潔能源需求的不斷增加，開發可替代的新能源轉換和存儲體系勢在必行。析氧反應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，其緩慢的反應動力學需要價格昂貴、資源稀缺的貴金屬催化劑。因此，開發成本低、環境友好、高性能的析氧催化劑對于清潔能源的發展具有重要意義。近年來，高活性鎳鐵基催化劑的設計已經取得突破，然而，自下而上的制備方法需要復雜的前驅體溶液和嚴格的合成條件以實現納米結構的精準調控，阻礙了此類電催化劑的大規模應用。

針對上述難題，夏寶玉教授團隊采用微生物腐蝕策略自上而下構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算表明，由化學腐蝕產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同作用改善了腐蝕電極的催化活性。

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這項工作不僅提供了一種高效的電催化析氧反應催化劑，更重要的是展示了一種簡單的微生物誘導電化學氧化還原法構筑高效電極材料的策略，將傳統腐蝕工程與新興電化學能源技術有效地結合起來，為開發環境友好、性能更加優異的電催化材料提供了新思路，有望激發研究人員對化學、生物學、工業腐蝕、納米材料設計和現代能源技術之間多學科交叉的研究興趣，對發展新能源技術具有重要科學意義和應用價值。