我院馬杰教授團隊Advanced Functional Materials：微生物合成助力重金屬離子高效去除

近日，我院馬杰教授團隊在《Advanced Founctional Materials》發(fā)表題為“Bacillus Cereus-derived Hollow Carbon Rods/Oxygen-Vacancy-Rich Co₃O_4-x Nanosheets by Biomineralization Strategy for Boosting Lead Ions Capture”的研究論文，在微生物合成金屬氧化物電化學(xué)高效除鉛方面取得新進展。

電容去離子（CDI）技術(shù)因其環(huán)境友好性、高水回收率以及優(yōu)異的選擇性分離能力，在重金屬分離中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而現(xiàn)有電極材料普遍存在離子儲存容量有限、穩(wěn)定性不足等問題，導(dǎo)致實際去離子效果不理想、成本升高，嚴(yán)重制約了該技術(shù)的大規(guī)模推廣與應(yīng)用。近年來，微生物介導(dǎo)合成電極材料作為一種創(chuàng)新策略，逐漸受到關(guān)注。該策略利用微生物自身的代謝功能，能夠綠色、高效且安全地構(gòu)建高性能電極材料，具有顯著優(yōu)勢。然而，如何精準(zhǔn)篩選與改造功能微生物，并有效調(diào)控其代謝行為以優(yōu)化材料合成過程，仍存在諸多關(guān)鍵科學(xué)問題亟待解決。

基于前期酵母“代謝轉(zhuǎn)化”合成NiCoP@NPC（Adv. Science., 2024, 2407616）和聚磷菌的“代謝催化”合成LFP@C（Nano today, 2024, 102781）進行離子分離的研究基礎(chǔ)，本研究創(chuàng)新性采用 Bacillus cereus“生物礦化”功能，成功構(gòu)建了一種由中空衍生碳棒（LY）包覆富含氧空位的Co₃O_4-X納米片（LY-Co₃O_4-X）的復(fù)合電極材料。中空的LY不僅形成了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，還充當(dāng)支撐骨架，減輕了Co₃O_4-X的聚集和粉碎，從而保持了電極的活性。高度分散的Co₃O_4-X納米片縮短了離子傳輸路徑，增強了LY-Co₃O_4-X的反應(yīng)動力學(xué)。LY-Co₃O_4-x的界面耦合促進了電子的重新分布和電荷的快速轉(zhuǎn)移，加速了Pb²⁺的水合化、水化層脫除及離子分離過程。基于以上優(yōu)勢，LY-Co₃O_4-X在1.60 V的工作電壓下展現(xiàn)出卓越的Pb2?去除性能（Pb2?吸附容量可達 78.7 mg g?1，吸附速率為2.62 mg g?1 min?1），超越了絕大多數(shù)已報道的電極材料，并且呈現(xiàn)出優(yōu)異的長壽命循環(huán)性能。這一發(fā)現(xiàn)為微生物構(gòu)建金屬氧化物并調(diào)控其電化學(xué)活性開辟了新途徑。

我院博士生袁建華為第一作者（已入職南華大學(xué)），同濟大學(xué)為通訊作者單位，我院馬杰教授和曹江林教授為該論文的共同通訊作者，該研究得到國家自然科學(xué)基金委資助。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202517924