一种活体电容功能材料的原位构建方法及其在产氢中的应用

本发明属于催化领域，具体涉及一种活体电容功能材料的原位构建方法及其在产氢中的应用。

背景技术：

1、在催化领域中，利用纯化学合成的半导体材料如cds或cds/rgo等进行光催化产氢会产生大量污染物且易造成二次污染。利用生物-材料耦合体系进行光催化产氢是近年来发展的一种较为环境友好、可持续性强的方法。已报道的生物-材料耦合体系进行光催化产氢包括化学合成半导体后投加、生物原位构建两种体系。前者仍然涉及到污染物的产生与易造成二次污染的问题。

2、生物原位构建生物-材料耦合体系所涉及到的微生物可在温和条件下合成具有光催化活性的半导体。考虑到半导体材料的光敏性、碳材料较大比表面积及微生物酶催化功能，本发明微生物原位合成cds/rgo/sw，其中碳材料为半导体材料与生物间的纽带，同时该活体功能材料具有电容性能。即光照时产氢并储存电子，去除光源后释放电子并持续性产氢。相较于报道的持续光照条件，本研究中的活体电容功能材料s. oneidensis mr-1-cds/rgo在光暗交替条件下生物活性更高、产氢速率及可持续性更强，较好地符合日常太阳光昼夜交替的变化，具有实际应用的潜力。且相比于报道的化学合成材料与微生物混合，本发明在光催化及电容产氢等方面具有更强性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种活体电容功能材料的原位构建方法及其在产氢中的应用。本发明利用微生物还原能力，原位进行光敏剂cds nps的合成并构建活体电容功能材料s.oneidensis mr-1-cds/rgo。该活体电容功能材料具有光照时产氢并储存电子，黑暗下释放电子以持续产氢的能力，且其电容性能源于固相材料cds/rgo、胞外聚合物eps及胞内氧化还原电对nad+/nadh等物质。

2、本发明活体电容功能材料的原位构建方法，包括如下步骤：

3、步骤1：将异化金属还原菌在lb培养基中培养至平台前期；

4、步骤2：将步骤1培养至平台前期的异化金属还原菌重悬于含有硫代硫酸盐的培养基中进行厌氧培养，再向培养体系中加入cd(ii)-edta和氧化石墨烯go，厌氧培养至cd(ii)全部转变cds nps半导体为止，构建获得活体电容功能材料s.oneidensis mr-1-cds/rgo。

5、进一步地，步骤1中，将-80℃保存的异化金属还原菌进行平板划线，进行48 h好氧培养后挑选单菌落于lb液体培养基中，再经过12 h好氧培养，然后以1：10比例转接到新鲜的lb液体培养基中，继续进行12 h好氧培养。

6、所述异化金属还原菌为s. oneidensismr-1野生型wt菌株。

7、步骤2中，所述含有硫代硫酸盐的培养基是以lb液体培养基为基础，向其中添加硫代硫酸盐后构成，硫代硫酸盐的浓度在0.1-5 mm之间，所述硫代硫酸盐为硫代硫酸钠。

8、步骤2中，所述cd(ii)-edta浓度在0.1-5 mm之间，且与所投加的硫代硫酸盐浓度相同。

9、步骤2中，所述氧化石墨烯go在培养体系中的浓度在10-500 mg/l之间。

10、进一步地，步骤2中，经过硫代硫酸盐的厌氧培养时间为6-12 h；cd(ii)-edta和氧化石墨烯go投加后的培养时间为6-12 h。

11、硫代硫酸钠、cd(ii)-edta和氧化石墨烯go浓度对性能尤其是细菌活性及酶功能产生影响。经过优化，本发明采用0.3mm硫代硫酸钠、0.3mmcd(ii)-edta及50mg/l氧化石墨烯go。

12、步骤2中，所述厌氧培养通过曝30 min氮气实现。

13、本发明活体电容功能材料在产氢中的应用。

14、具体是将活体电容功能材料s.oneidensis mr-1-cds/rgo转入经过充分曝氮气的液体无机盐培养基中，在光照或光暗循环条件下进行催化产氢。

15、光暗循环条件催化产氢时，光暗时间比为1:1。

16、进一步，光暗循环时，光照下反应2h，黑暗下反应2h。

17、本发明中，实验用氙灯作为光源，光照强度为20mw/cm2。

18、所述液体无机盐培养基的组分构成为：nacl 5-6 g/l，nh4cl 1-2 g/l，kcl 0.05-0.1g/l，hepes 11-12g/l，β-甘油磷酸钠 0.5-0.8 g/l，乳酸钠 15-25 mm，微量元素1 ml微量元素母液 / l培养基，抗坏血酸9-11 mm。

19、在下述实施例中，所述液体无机盐培养基的构成参见下表1（最终ph调整为6.7）。

20、

21、所述微量元素母液的配方构成参见表2。

22、

23、本发明实验过程中，作为对比，设置以下对照组：活体电容功能材料s.oneidensis mr-1-cds/rgo黑暗组，抑制微生物活性的纯材料cds/rgo对照。

24、虽然利用微生物和半导体材料组装进行光催化产氢已有报道，但由于一直光照，导致对微生物产生较大毒性、不可持续，且不符合实际太阳光照是光暗循环交替的规律。

25、因此，本发明生物原位自组装了一种活体电容功能材料s.oneidensis mr-1-cds/rgo，利用s. oneidensis mr-1的生物还原能力，原位构建由微生物、cds nps及还原氧化石墨烯rgo接触的活体材料，并将其用于光暗循环产氢。

26、与已报道的产氢方法相比，本发明具有以下优点：

27、本发明可以回收重金属离子的同时、以环境友好而条件温和的微生物酶催化方式原位合成硫化物半导体材料，不涉及有毒溶剂且操作简单无污染。相较于报道的持续光照条件，本研究中的活体电容功能材料s. oneidensis mr-1-cds/rgo在光暗交替条件下生物活性更高、产氢速率及可持续性更强，较好地符合日常太阳光昼夜交替的变化，具有实际应用的潜力。相比于报道的化学合成材料与微生物混合，本发明在光催化及电容产氢等方面具有更强性能。本发明原位构建的活体电容功能材料s. oneidensis mr-1-cds/rgo具有光照产氢并储存电子、黑暗释放电子以持续产氢的性能。

技术特征：

1.一种活体碳质半导体材料在产氢中的应用，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

9.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种活体电容功能材料的原位构建方法及其在产氢中的应用，属于催化领域。本发明利用异化金属还原菌S.oneidensis MR‑1酶催化能力，原位构建活体电容功能材料S.oneidensis MR‑1‑CdS/RGO。该活体电容功能材料较好地作为一种光暗交替电子转换器，可实现时间尺度上的电容性能，即光照时产氢并储存多余电子，移除光源后释放电子持续产氢。研究发现，该电容性能得益于CdS/RGO材料，细菌分泌的胞外聚合物EPS，以及细菌胞内NAD<supgt;+</supgt;/NADH氧化还原电对。本发明方法所构建的活体电容功能材料可实现光照产氢、移除光源后持续产氢。

技术研发人员：田扬超,龚盛兰,田立娇,盛国平
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/24