夏宝玉教授团队：高效镍铁基析氧催化剂的最新研究进展

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2020年10月8日，《Nature Communications》以研究长文形式刊发华中科技大学化学与化工学院夏宝玉、刘宏芳、郭兴蓬教授带领的能源材料服役与防护团队最新研究成果《Preparation of Nickel-Iron Hydroxides by Microorganism Corrosion for Efficient Oxygen Evolution》。该团队聚焦传统腐蚀电化学和现代能源电化学交叉，专注能源材料与技术的服役与失效领域，研究并利用腐蚀电化学等制备关键能源材料并改善其服役水平和寿命。本文则阐述了该团队在高效镍铁基析氧催化剂的最新研究进展：采用微生物腐蚀方法构筑铁硫物种修饰的镍铁氢氧化物纳米层，从而大幅提升其析氧催化活性。该方法将传统腐蚀工程和新能源技术有效地结合起来。化学与化工学院杨欢博士为第一作者，华中科技大学为第一作者单位，化学与化工学院夏宝玉教授为论文通讯作者。

                                                                               

腐蚀电极的制备、形貌和结构表征示意图

        当前，随着人类环保意识的日益增强和对清洁能源需求的不断增加，开发可替代的新能源转换和存储体系势在必行。析氧反应在各种可再生能源包括金属空气电池和电解水中处于重要地位，其缓慢的反应动力学需要价格昂贵、资源稀缺的贵金属催化剂。因此，开发成本低、环境友好、高性能的析氧催化剂对于清洁能源的发展具有重要意义。近年来，高活性镍铁基催化剂的设计已经取得突破，然而，自下而上的制备方法需要复杂的前驱体溶液和严格的合成条件以实现纳米结构的精准调控，阻碍了此类电催化剂的大规模应用。针对上述难题，郭兴蓬、刘宏芳、夏宝玉教授带领的能源材料服役与防护团队采用微生物腐蚀策略自上而下构筑了硫化亚铁修饰的镍铁氢氧化物纳米层，从而大幅提升了镍铁氢氧化物纳米层的析氧活性（图1），其腐蚀电极在10 mA cm-2的电流密度下仅需220 mV的过电位（图2）。X射线同步辐射吸收光谱和理论计算表明，由化学腐蚀产生的镍铁氢氧化物和硫酸盐还原菌代谢生成的铁硫物种之间的协同作用改善了腐蚀电极的催化活性。
       这项工作不仅提供了一种高效的电催化析氧反应催化剂，更重要的是展示了一种简单的微生物诱导电化学氧化还原法构筑高效电极材料的策略，将传统腐蚀工程与新兴电化学能源技术有效地结合起来，为开发环境友好、性能更加优异的电催化材料提供了新思路，有望激发研究人员对化学、生物学、工业腐蚀、纳米材料设计和现代能源技术之间多学科交叉的研究兴趣，对发展新能源技术具有重要科学意义和应用价值。该研究得到了国家自然科学基金委、华中科技大学以及化学与化工学院和武汉光电国家研究中心等各方面的支持。
       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-18891-x


        文章来源：华中科技大学
        夏宝玉，华中科技大学教授，博士生导师。2010年毕业于上海交通大学大学，获工学博士学位。2011年至2016年在新加坡南洋理工大学能源研究所和化学与生物工程学院工作。主要从事结构功能材料的设计及其在能源、环境等领域应用的教学与研究工作，包括研发新型水电解池、燃料电池、金属空气电池以及二氧化碳转换等能源技术，并在新能源与新材料工程领域取得一系列创新性研究成果。近些年在国际学术期刊发表论文49篇，包括Nat. Energy 1篇，Nat. Commun. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇，Angew. Chem. Int. Ed. 6篇，Adv. Mater. 2篇，Energy Environ. Sci. 1篇等。发表论文包括2篇ESI热点论文 (hot paper) 、15篇ESI高被引论文、4篇封面论文、1篇VIP论文和2篇热点论文 (Angew. Chem.)，研究成果被ChemistryViews和MaterialsViews等多个国内外媒体报道。截止目前，论文被国内外同行引用超过2500余次，单篇最高被引用次数达到250次，单篇引用次数超过100次的有12篇，H指数25。2016年获RSC Top 10 Reviewers for J Mater Chem.