Small:MOF和微生物的“跨界”嫁接——自磷化机制构筑多级多孔复合碳胶囊

科研工作者们常常为开发一种特殊用途的材料冥思苦想,绞尽脑汁。而早在数亿年前,神奇的大自然就已创造出不计其数的迷人的结构和完美的材料。微生物,如大肠杆菌,繁殖迅速,易于进行基因修饰且形态多样。这些微观世界的生物给材料科学家们带来灵感而备受青睐。

苏州大学能源学院彭扬教授课题组通过在大肠杆菌表面原位组装MOF材料,开发出一种具有“自磷化”机制的细菌模板法来构筑表面锚定金属磷化物的多级多孔碳胶囊的新策略。他们选用极易在实验室进行培养繁殖的阴性革兰氏大肠杆菌作为模板,借助于细菌表面丰富的有机物和有机官能团以及其本身呈负电的性质,吸引MOF前驱体中的配体和金属离子在细菌表面富集。原位生长的MOF如铠甲一般包覆在细菌外层,完美拷贝生物模板的形态。与此同时,大肠杆菌细胞膜中含有的磷在高温裂解的过程中,与MOF中的钴自发反应生成磷化二钴纳米颗粒,产生额外的异原子掺杂以及电化学活性位点。碳胶囊凭借其多级多孔结构、异原子掺杂、丰富的Co-N-C基团以及表面锚定的Co2P纳米颗粒,作为锂硫电池储硫载体以及锌空电池催化剂的应用中表现出了优异的电化学性能。硫与N、P掺杂碳以及极性Co2P之间通过强化学相互作用极大地抑制了多硫化物的穿梭,而碳胶囊表面的主要活性位点有效地促进了ORR和OER。该工作创新性地将微生物与MOF材料相结合,开发出自磷化机制,为新型碳基复合材料的合成设计开辟了一条新的途径,并证明了其在能源转化与存储方面巨大的应用潜力。文章题为“Self-Phosphorization of MOF-Armored Microbes for Advanced Energy Storage” 的研究工作发表在Small(DOI:10.1002/smll.202000755),博士生胡加鹏和硕士生袁协涛为共同作者,赵晓辉副研究员和邓昭教授为共同通讯作者。