Small:吃啥长啥——单原子的生物富集制备新策略

单原子催化剂由于原子利用率高、配位环境可控在各种反应中引起了越来越多的关注。在电化学中,原子级分散的过渡金属原子与氮配位的碳基材料(M-N-C)是各种电催化反应的活性中心。尽管M-N-C单原子具有优异的活性和选择性,但单原子的高表面能给化学合成带来了挑战。传统的M-N-C材料的合成涉及到含金属卟啉或酞菁络合物的热解过程,存在过渡金属原子易团聚、单原子含量低的问题。而生物质中含有多种蛋白质,这些蛋白质可以通过变构效应结合分散的金属离子,防止单个原子的聚集。此外,在生命体中,金属离子的吸收促进蛋白质的形成,新生成的蛋白质又能结合更多的金属离子(生物富集现象)。因此,活体生物可以富集孤立的金属离子,进而成为制备M-N-C单原子材料的理想前驱体。

基于这种生物富集效应,西南科技大学四川省军民融合研究院竹文坤教授、国防科技学院段涛教授、何嵘教授及其研究团队开发了一种合成Fe-N-C单原子的生物化学方法。通过在真菌生长过程中引入甘氨酸螯合亚铁,在真菌孢子萌发后将铁原子富集到菌丝中,然后对富铁菌丝热解和酸洗,得到了负载Fe-N-C单原子的菌丝炭纤维。在生物富集过程中,菌丝对铁离子的吸收促进了谷胱甘肽和铁蛋白的分泌,为铁离子提供了额外的配位位点。与传统吸附-热解法制备的Fe-N-C单原子相比,生物富集法制备的材料Fe单原子含量提高了5.3倍,质量百分比达到4.8%。同时,这种生物富集策略同样适用于Co、Ni、Mn单原子材料的制备。由于高的单原子负载量,这种生物富集的Fe-N-C单原子表现出与商用Pt/C催化剂相当的电催化氧还原性能。

此项研究为高负载量单原子材料的合成提供了新的思路,相关成果在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201905920)上。