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我院李教授团队在微生物燃料电池直接电化学研究方面取得重要进展

近日,我校材料科学与器件李长明院士团队在微生物燃料电池直接电化学研究方面取得重要进展,研究院吴小帅博士为第一作者,郭春显教授为共同作者,李长明教授为通讯作者在Nature集团刊物《Communications Chemistry》上在线发表了题为“Nitrogen doping to atomically match reaction sites in microbial fuel cells”的研究论文(Commun Chem 3, 68 (2020).https://doi.org/10.1038/s42004-020-0316-z),实现了在材料及工程领域研究的重要突破。


图:(a)氮掺杂界面原子匹配电子介体实现直接电化学机理图,(b)电化学性能和(c)输出功率密度结果。


微生物燃料电池是一种具有同时实现污水处理和产电双重功能的绿色、可持续能源技术,但微生物催化剂与电极之间的电子传递速率及其输出功率密度较低是推广这项技术应用的一个主要挑战。基于此,我们通过调控电极表面的氮原子掺杂位点与电子传递介体之间进行原子匹配,实现电子介体在电极界面上的强吸附并把电子介体转化为锚定在界面上的氧化还原中心,随后再将微生物催化剂负载在表面上后可成功的将电子介体介导的间接电子转移途径转换为电子传递路径更短的快速直接电化学反应,最终将微生物燃料电池的功率密度提高了21倍,表现出极大的实际应用潜质。更重要的是,通过实验及理论计算,深入阐明了微生物燃料电池阳极的界面成分及微结构等物理化学性质与电子介体吸附及其界面电化学之间的构效关系,进一步证实了阳极材料的界面性质对微生物燃料电池生物电催化进程的重要影响,为后续设计合成高性能的微生物燃料电池阳极材料界面成分及微结构提供有参考价值的理论基础和实验依据。

自材料科学与器件研究院成立以来,通过基础创新及应用推广相结合的研究,李长明院士团队在材料及工程领域取得了一系列成果。截至到2020年5月,团队以苏州科技大学署名在工程与材料相关领域Nature Energy、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano Energy等顶级期刊发表论文130余篇,其中SCI一区文章近70篇,论文被引频次总计1500余次,平均引用次数大于13。

该研究工作得到了苏州科技大学启动基金、国家自然基金、省高等学校自然科学基金等项目资助,以及省微纳热流技术与能源应用重点实验室、省生化传感与芯片技术工程实验室等平台的支持。

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