北大「国家杰青」郭少军，一天两篇Nature子刊!
学术
2025-01-06 13:01
广东
水资源安全和清洁能源利用是当今全球面临的两大关键挑战。地下水占全球液态淡水储量的99%，为约50%的人口提供生活用水，同时为25%的农业灌溉提供保障。然而，地下水中抗生素耐药菌的广泛存在已成为导致水传播疾病爆发的主要因素。传统的氯化消毒方法虽能有效杀菌，但其副产物可能对人类健康构成威胁，如致癌风险。这使得开发绿色、无化学残留的水消毒技术成为迫在眉睫的需求。光催化技术通过生成活性氧（如超氧自由基·O2–）展现了巨大的杀菌潜力。然而，由于分子氧（O2）的自旋禁阻特性，光催化技术在低溶解氧环境下（如地下水）效率受到严重限制。与此同时，清洁能源转型中的另一关键挑战是可再生能源制氢技术的应用。质子交换膜电解水器件（PEMWE）作为实现绿色制氢的重要技术，其核心问题在于催化剂铱（Ir）用量较大，制约了其大规模应用。尽管通过金属氧化物载体分散铱能提升其催化活性和稳定性，但在工业级高电流密度条件下，低铱负载催化剂仍难以兼顾高效性和耐久性。为应对这些挑战，北京大学郭少军教授及其合作者提出了两种创新性策略，在水消毒领域，通过引入应变诱导的自旋极化现象，有效提升了光催化体系中超氧自由基的生成效率，显著提高了低溶解氧环境下的杀菌性能，尤其在连续流动水系统中表现出优异的实际应用潜力。而在制氢领域，通过在二维多孔纳米片中嵌入Ir-O-Mn，显著增强了电荷传输能力，同时以十分之一的铱用量实现了与商业化催化剂相媲美的催化效率和稳定性。上述两项研究从不同角度为水资源和能源的可持续发展提供了绿色、高效的解决方案，展示了先进材料科学在应对全球性挑战中的重要作用。这两项研究分别以“Spin polarization induced by atomic strain of MBene promotes the ·O2– production for groundwater disinfection”和“Ir-O-Mn embedded in porous nanosheets enhances charge transfer in low-iridium PEM electrolyzers”为题于同一天发表在《Nature Communications》期刊上，论文第一单位分别为西北农林科技大学和北京大学。郭少军，北京大学博雅特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家（燃料电池）、英国皇家化学会会士；吉林大学学士、中科院应化所博士、布朗大学博士后。长期致力于将国家重大需求与基础研究相结合，重点研究燃料电池、氢能与储能电池。独立工作以来以通讯作者在Nature、Science、NSC系列（23）、Adv. Mater./Angew. Chem./JACS（57）等高影响力期刊发表学术论文；2014-2022连续9年入选“全球高被引科学家”榜单（化学、材料）。1. 通过MBene的原子应变诱导的自旋极化促进·O2–的生成用于地下水消毒本研究开发了一种基于二维/二维异质结In2S3/Mo4/3B2-xTz（IS/MB）的新型光催化材料，通过引入MBene的原子应变诱导自旋极化，显著提升了光催化·O2–的生成效率。研究合成了具有可调应变的MBene（Mo4/3B2-xTz），通过化学刻蚀引入拉伸应变（+5.37%至+8.19%），形成Mo空位并增强自旋-轨道耦合。这一机制克服了分子氧（O2）的自旋禁阻效应，使得电子高效传递至O2的π*轨道，生成活性氧（·O2–）。通过将MBene与半导体In2S3结合，构建的IS/MB异质结中，MBene作为共催化剂，利用其金属导电性和拉伸应变增强电子提取，同时形成的肖特基势垒抑制电子-空穴复合，从而延长载流子寿命。在原位EPR光谱测试中，IS/MB-20的·O2–生成效率相较纯In2S3提升了16.59倍。DFT计算显示，自旋极化的前沿分子轨道（FMO）与O2的π*轨道强杂化，降低了O2的吸附能（−2.52 eV），从而加速电子转移，显著增强·O2–生成。在抗菌实验中，IS/MB-20对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）实现了15分钟内8.06-log的杀菌效率，并对大肠杆菌等革兰氏阴性菌展现了广谱抗菌性能。实际应用中，基于IS/MB-20的连续流动消毒系统在低溶解氧地下水条件下运行62小时，处理37.2升无菌水，消毒能力为商业次氯酸钠的25倍，且未检测到Mo或In的溶出，展现出优异的化学稳定性和环保性能。该研究提供了一种高效、绿色的地下水消毒解决方案，展示了自旋极化在光催化中的潜力。图 1原子应变与自旋极化的结构表征及结构-活性关系图 3 自旋极化在·O2–生成中促进分子轨道活化的作用图 5 IS/MB-20在低溶解氧地下水中的消毒性能2. 嵌入多孔纳米片中的Ir-O-Mn提高低铱质子交换膜电解槽中的电荷传输效率本研究旨在解决质子交换膜电解槽（PEMWE）中由于高铱（Ir）用量限制大规模应用的问题。研究开发了一种嵌入多孔二维纳米片的Ir/MnOx催化剂，其特点是在异质界面处形成丰富的Ir-O-Mn键。通过结合先进的合成方法和多种表征技术，研究揭示了Ir-O-Mn键在电荷转移中充当高效通道，有助于生成和稳定高活性Ir³⁺物种，从而显著提高了析氧反应（OER）活性和稳定性。与传统IrO₂催化剂相比，Ir/MnOx表现出显著的性能提升，其质量活性在300 mV过电位下达到4 A mg⁻¹，是商业IrO₂的150.6倍。此外，基于Ir/MnOx的PEMWE在工业电流密度1 A cm⁻²下，仅需1.63 V的低电压运行300小时，表现出卓越的长效稳定性。通过电子显微镜、X射线吸收精细结构（XAFS）和拉曼光谱等手段，研究确认了Ir/MnOx中Ir纳米簇的均匀分布和强界面耦合，以及MnOx基质对Ir电子的馈送效应。这些特性显著抑制了Ir的过氧化和溶解，提升了催化剂的耐久性。理论计算进一步验证了Ir-O-Mn键在优化Ir电子结构和降低中间体吸附能中的关键作用。Ir/MnOx的独特多孔二维结构有效促进了质量和电荷传输，降低了过电位，尤其是在高电流密度下的传质阻抗。该催化剂在低铱负载（0.2 mg cm⁻²）条件下实现了卓越的OER性能，为低成本、高效和可持续PEMWE提供了一种创新解决方案。图2 验证Ir-O-Mn键在Ir/MnOx中的电子传输通道作用图 3 Ir/MnOx在0.1 M HClO4（pH = 1 ± 0.1）中的室温析氧反应（OER）的电化学性能图 4 IrOx/MnOx的催化活性与稳定性增强的原位光谱和理论研究图 5 Ir/MnOx在质子交换膜水电解装置（PEMWE）中的电化学性能这两篇文献分别在绿色水处理和清洁能源制氢领域取得了重要进展。第一篇通过MBene的原子应变诱导自旋极化，提高了超氧自由基（·O2–）的生成效率，为地下水中抗药性细菌的高效杀灭提供了绿色解决方案。第二篇开发了嵌入Ir-O-Mn键的多孔二维Ir/MnOx催化剂，显著提升了低铱质子交换膜电解槽（PEMWE）的电荷传输效率，实现了低铱负载条件下的高效析氧反应（OER）和长期稳定性。这些研究从材料设计与界面调控的角度出发，为应对全球水资源安全与能源可持续性提供了新思路。Spin polarization induced by atomic strain of MBene promotes the ·O2– production for groundwater disinfection. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-55626-8.Ir-O-Mn embedded in porous nanosheets enhances charge transfer in low-iridium PEM electrolyzers. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-024-54646-8.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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