氢气具有较高的重量能量密度，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的重要能源载体之一。利用电化学手段将水分解形成H₂和O₂，具有不依赖化石燃料、不排放二氧化碳等特点，具有巨大的应用前景。电催化剂是促进水分解反应发生的关键部分。废酵母细胞是一种非常具有吸引力的生物质材料，主要由蛋白质、DNA、脂类、壳糖质、碳水化合物等组成，具有无污染、易降解，低成本和易获得等优点。而且，金属离子和酵母细胞的酰胺/羧酸盐基团之间的强相互作用可以使金属离子稳定地附着在酵母细胞表面，从而在酵母细胞表面形成单原子(SAs)或纳米粒子(NPs)。因此，利用废酵母生物质合成开发具有高催化活性和稳定性的电催化剂具有重要的研究价值。

有鉴于此，韩国蔚山国家科学技术研究院的Jitendra N. Tiwari & Kwang S. Kim等人，设计制备了钌单原子(RuSAs)和钌纳米颗粒(RuNPs)嵌入MHC(RuSAs+RuNPs@MHC)的HER催化剂和以多杂原子(氮、硫、磷)掺杂碳(MHC)为载体的磁铁矿 (Fe₃O₄@MHC)OER催化剂。

本文要点

1）提出了一种利用炭化后的废酵母生物质作为催化剂载体的策略。RuNPs的粒径为~3nm，均匀分布于MHC表面。RuNPs的晶格间距为0.205 nm，与Ru晶体的六角密排结构(101)平面相对应。

2）RuSAs+RuNPs@MHC催化剂在过电位、交换电流密度、Tafel斜率和耐久性方面都优于目前最先进的商用Pt@C催化剂。而且，和工业氧化铱催化剂相比，Fe₃O₄@MHC催化剂具有优异的析氧反应活性。

3）高的HER/OER性能归因于NPs和多异质原子(P、S和N)掺杂到碳化酵母细胞表面的协同作用，以及良好的导电性、大量的催化活性位点和有利的质量和电荷转移。提出了一种利用炭化后的废酵母生物质作为催化剂载体的策略，

总之，酵母生物质衍生的材料（多杂原子（氮，硫和磷）掺杂的碳（MHC）催化剂）可以帮助开发高效，环保且经济的催化剂，为开发高性能的HER和OER电催化剂提供了一种新的思路，有助于促进生物质的利用。

参考文献：

Jitendra N. Tiwari et al. Multi-heteroatom-doped carbon from waste-yeast biomass for sustained water splitting. Nat. Sustain., 2020.

DOI: 10.1038/s41893-020-0509-6

https://doi.org/10.1038/s41893-020-0509-6