云南大学屈庆，AFM: 黑曲霉s-EPS调控技术起大作用，合成高效催化剂用于HER和OER

学术 2024-10-12 18:25 广东

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微生物可溶性胞外聚合物(s-EPS)合成电催化剂的生物调控技术由于体系的复杂性和合成产物控制的难度，在很大程度上仍未得到探索。

然而，最近的研究越来越多地利用s-EPS来开发电催化剂和将废物转化为高价值材料。s-EPS具有独特的特性，它包含强大的功能性生物分子，其主要由蛋白质(包括酶)、多肽和多糖组成，富含氨基、硫醇、亚胺基、羧基、羰基、醛基和羟基。

这些基团在催化剂合成中起着关键作用，特别是富含S和N化合物的氨基酸残基和还原多糖残基。此外，氨基酸和多糖残基的链状结构经常作为晶体成核的底物，促进了催化剂生长过程中的生物N、S掺杂和生物分子表面修饰。利用s-EPS合成催化剂有可能确保实验程序的简单性，同时避免对昂贵的仪器和材料的需求。

近日，云南大学屈庆课题组利用黑曲霉s-EPS生物调控技术，结合形态控制、粒度效应、掺杂工程、界面工程和电子调节工程，构建了高性能Bio-Pt/Co₃O₄电催化剂。具体而言，研究人员利用水热法成功地构建了具有较大比表面积的纳米阵列形貌。将1.5~3 nm的Pt颗粒均匀地负载在Co₃O₄纳米片上，显著提高了Pt的质量活性面积(形态控制和粒径效应)。

s-EPS衍生的-NH₂、-COOH和-OH基团大大增强了催化剂表面的亲水性，而纳米阵列结构创造了许多促进*O₂解吸的通道。在阳极反应过程中，催化剂经过Bio-Pt/Co₃O₄到Bio-Pt/CoOOH(界面工程)的表面重构，在这一过程中s-EPS的改性实现了N和S的掺杂。N和S的掺杂缩短了d带中心和p带中心之间的距离，平衡了吸附和解吸能力；并且，d-p带隙的减小有利于更好的界面电子转移和去质子化。

性能测试结果显示，在1.0 M KOH中，Bio-Pt/Co₃O₄电催化剂在10 mA cm^-2电流密度下的HER和OER过电位分别为42和221 mV；并且，催化剂表现出小的Tafel斜率(HER为52.27 mV dec^-1，OER为46.82 mV dec^-1)。

此外，利用Bio-Pt/Co₃O₄作为双功能电极组装的碱性电解槽仅需1.51 V的电池电压就能达到10 mA cm^-2的电流密度，并且在该电流密度下连续电解50小时而没有发生明显的活性下降，显示出良好的反应稳定性。

总的来说，该项研究通过综合多种工程策略开发高性能生物型电催化剂，为未来高效催化剂的设计和开发提供了一种新方法。

Integrating multiple strategies using biotechnology to design high-performance electrocatalysts for hydrogen and oxygen evolution. Advanced Functional Materials, 2024. DOI: 10.1002/adfm.202413072

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