华中师范大学Advanced Functional Materials：双功能铁单原子催化剂构筑光电化学燃料电池用于生物传感分析

第一作者：谭蓉

通讯作者：胡六永*，顾文玲*，朱成周*

单位：华中师范大学，武汉工程大学

基于半导体的光电化学(PEC)燃料电池通过将太阳能和化学能转化为电能，为可持续和环保的能源生产提供了可行的解决方案。然而，由于电子-空穴复合速度快、界面反应动力学慢等问题，导致PEC燃料电池性能较差，阻碍了其实际应用。为了解决这个问题，我们报道了一种独特的PEC燃料电池，它由双光电极组成，利用低成本的生物质抗坏血酸（AA）作为有机燃料。值得注意的是，双功能铁单原子催化剂(Fe SACs)与光活性材料的集成有效地构建了载流子转移的桥梁，提高了界面反应动力学和光电转换效率。Fe SACs修饰后的双光电极PEC燃料电池表现出优异的性能，最大功率密度为82.82 μW cm^-2。最终，基于Fe SACs优异的过氧化物酶样活性，该PEC燃料电池成功用于灵敏地检测尿酸（UA）样品。这项工作为提高PEC燃料电池的能量转换效率，实现灵敏的自供电生物传感提供了一条新的途径。

近日，华中师范大学朱成周教授课题组与武汉工程大学的胡六永副教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Bifunctional Single-Atom Iron Cocatalysts Enable an Efficient Photoelectrochemical Fuel Cell for Sensitive Biosensing”的文章。该文章利用双功能铁单原子催化剂来构筑PEC燃料电池，提高了界面反应动力学和光电转换效率，并最终应用于生物传感灵敏分析。

Fe SACs可以显著促进阳极AA氧化反应和阴极氧还原反应，从而大幅提高光电转换效率。基于CdS-Fe-SACs光阳极和CuInS₂-Fe-SACs光阴极的良好特性，利用低成本的生物质AA作为有机燃料，成功研制了一种新型双光电极组成的PEC燃料电池。组装的PEC燃料电池同时将太阳能和化学能转化为电能，最大输出功率密度为82.82 μW cm^-2。

从内建电场、表面反应能级等出发进行了一系列的载流子动力学研究，并且结合扫描电化学显微镜等测试深入探讨了Fe SACs对于PEC界面反应的增强机理。

基于PEC燃料电池的优异性能，我们进一步建立了高灵敏的双光电极生物传感平台用于UA检测。由于同时放大了电流和电压的变化，PEC燃料电池在生物传感方面表现出更突出的性能，比光电流测试具有更高的灵敏度和更低的检测限。

这项工作不仅可以进一步扩大单原子涉及材料的应用范围，而且为高效PEC燃料电池和生物传感平台的设计提供了指导。

Bifunctional Single-Atom Iron Cocatalysts Enable an Efficient Photoelectrochemical Fuel Cell for Sensitive Biosensing

谭蓉，华中师范大学化学学院硕士研究生，主要研究方向为原子级分散界面光电化学分析。

朱成周课题组聚焦于原子级分散界面分析化学，在原子级分散材料仿生设计、原子尺度效应增敏机制探究和分析新方法构建等方面为实现高灵敏的生物传感提供解决方案。

欢迎有志于从事功能材料合成、电催化以及生物传感分析研究工作的同学报考硕士和博士研究生，同时欢迎上述领域的博士后申请！

详见课题组主页：