北航蔡军教授课题组《Small》：基于微生物模板的可调多级结构海胆状磁性ZnO微球制造及其光电催化应用

多级结构微纳米颗粒具备优异的综合性能，在生医、催化、能源等前沿领域潜力巨大。但是，复杂多级微纳结构的设计与制造仍是挑战，包括多级结构的精准调控及批量制造等。自然界的微生物种类丰富、结构多样，基于微生物模板的生物成形技术来制造微纳米功能颗粒具有独特优势。利用微生物作为成形模板，突破可调多级微纳结构制造难题，具有重大的科学意义和工程价值。

近日，北京航空航天大学机械工程及自动化学院蔡军教授课题组提出一种基于微生物模板的可调多级核壳微粒制造方法，利用小球藻作为成形模板制造出海胆状复杂多级结构磁性ZnO微球，并展现了其优异的光电催化性能。相关成果以“Biohybrid Urchin-Like ZnO-Based Microspheres with Tunable Hierarchical Structures and Enhanced Photoelectrocatalytic Properties”为题发表在国际期刊Small。论文第一作者是北航机械学院博士生周慧，通讯作者是北航卓越百人博士后龚德。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的资助支持。

图论文发表信息

在本项工作中，选取富含叶绿素的小球藻作为成形模板，依次沉积Fe3O4纳米颗粒以及ZnO纳米棒，制造出海胆状磁性ZnO微球。此外，研究了生物模板表面复杂多级结构制造方法，实现了可调多级结构精准调控，揭示了不同形貌ZnO外壳（纳米颗粒、纳米棒、纳米花）磁性微球的性能差异。

图1  海胆状磁性ZnO微球的制备及工艺优化

其中，具有ZnO纳米棒外壳的海胆状微球具备相对更佳的光吸收性能及光电催化活性，归因于三维ZnO纳米棒阵列、Fe3O4-ZnO异质结增强效应及生物模板宽频光吸收特性的协同作用。同时，该微球具备增强光生电流及最小电荷转移电阻，具有良好的化学稳定性和机械耐久性，可实现有机污染物的高效光电催化降解。

图2  海胆状磁性ZnO微球的光性能及光电催化活性表征

图3  海胆状磁性ZnO微球的光电催化降解性能及稳定性测试

通过密度泛函理论计算以及活性物质检测，系统阐述了光电催化过程及有机污染物降解机理。海胆状磁性ZnO微球的异质界面间形成了从ZnO到Fe3O4的内生电场，有效促进光生载流子的分离，从而提高光电催化应用的效率。该研究为多级结构微纳米功能材料制造提供了新思路，在生医、催化等前沿领域展现出巨大潜力。

论文信息：

Hui Zhou, Jun Cai, Bo Gu, Deyuan Zhang, and De Gong*. Biohybrid Urchin-Like ZnO-Based Microspheres with Tunable Hierarchical Structures and Enhanced Photoelectrocatalytic Properties. Small.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305511

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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