技术领域本发明属于电化学和生物纳米材料技术领域，具体涉及到一种电极活性生物膜原位合成三维纳米钯催化层的方法，以及依据所述方法制备的钯催化层、进一步制备的钯催化层电极以及钯催化电极在有机污染物的电催化还原中的应用。
背景技术：
由于贵金属的稀缺性及其在催化领域巨大应用潜力，贵金属的回收及催化剂的合成引起人们的广泛关注。纳米级金属粒子具有的高比表面积、高催化活性等优势使得很多学者将目光投向这一领域。相较于传统的化学法制备过程微生物合成纳米金属颗粒的方法更加经济、绿色、安全。一方面，化学法制备过程需要提供很高的反应温度或者投加毒性很强的化学药剂(例如投加NaBH4制备纳米钯)，而微生物法反应条件温和(一般室温条件)，参与反应试剂廉价、安全(例如，甲酸，乙酸，葡萄糖等)。另一方面，化学法制备的纳米金属颗粒非常容易发生聚集现象，储存和使用时需要添加载体或有毒的稳定剂，而微生物合成的纳米金属颗粒形态比较稳定，一般不发生聚集效应。正是由于这些优势，使得微生物合成纳米贵金属颗粒成为颇具研究价值和应用前景的热点领域。在贵金属颗粒中，纳米钯是一种高性能的加氢反应催化剂，在催化某些难降解污染物还原分解方面极具优势，例如：催化卤代污染物的脱卤反应、催化硝基芳香烃污染物还原为芳香胺的反应、催化偶氮化合物偶氮键加氢断裂反应等。但是，微生物纳米钯在实际应用的过程中，至少需解决以下两个方面的问题：第一，如何保证微生物纳米钯有效和培养基分离并固定在载体上以避免微生物纳米钯的流失，进一步的分离和固定方法将使得应用过程复杂化。第二，如何持续、高效地向微生物纳米钯提供电子供体(如氢气，电极电子)，以维持快速的污染物催化还原反应速率。针对第二点，已有研究将电极引入反应体系中作为微生物纳米钯固定化载体。虽然电极固定微生物纳米钯催化难降解污染物的理念在高效负载、降低了电子供体的传质限制和安全性等方面均有很大的优势，但是传统纳米材料固定化所采用的“涂布法”还存在诸多问题：(1)微生物纳米钯较难在电极上均匀分布，制约着其催化作用的稳定发挥。涂布法虽然在面积较小的二维电极上可以取得较好的效果，然而实际应用过程中针对表面结构复杂的三维电极，涂布法容易造成分布死角而大大影响催化效能。(2)微生物菌体本身导电性差，阻碍了电子在纳米钯颗粒间的传递。菌体的碳化成为其应用前期必不可少的处理步骤，不仅增大能耗，也成为微生物纳米钯直接应用的屏障。(3)微生物纳米钯容易流失。传统涂布法使生物钯与电极之间的结合力弱，实际应用过程中很容易脱落失效。一些价格昂贵的连接剂，例如全氟聚苯乙烯磺酸(Nafion)等，往往需要添加以提高稳定粘附性，不仅提高其成本还有可能造成二次污染等严重后果。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的是提供一种合成方法和钯催化层，以提高催化效果。基于上述问题，本发明提出了一种电极活性生物膜原位合成三维纳米钯催化层的方法，包括以下步骤：(1)将电化学活性菌接种至厌氧密封电解池缓冲液中，然后连接至恒电位仪，恒定工作电极电位，控制培养温度使所述电化学活性菌保持活性，观察时间-电流曲线，当电流恒定不再增加停止恒电位培养；(2)以厌氧无菌缓冲液置换密封电解池内菌悬液，加入甲酸钠、钯盐溶液至电解池缓冲液中，控制还原温度使所述电化学活性菌保持活性，进行搅拌还原，实现生物膜三维纳米钯催化层的原位合成。根据本发明的一种具体实施方案，所述电化学活性菌为地杆菌。根据本发明的一种具体实施方案，每升所述电解池缓冲液为pH6-8的含磷酸盐或碳酸盐的缓冲液。根据本发明的一种具体实施方案，所述缓冲液经过除氧和灭菌处理。根据本发明的一种具体实施方案，所加入的甲酸钠和钯盐母液经过除氧处理。根据本发明的一种具体实施方案，所述恒定工作电极电位的方式为：控制电极电位相对于Ag/AgCl参比电极为-0.2至0.2V。另外，本发明还提供一种根据以上任意一种方法制备的钯催化层。进一步的，本发明还提供根据上述钯催化层进一步制备的钯催化电极。再进一步的，本发明还提供根据上述钯催化电极在有机污染物电催化还原中的应用。通过上述技术方案可知，本发明电极活性生物膜原位合成三维纳米钯催化层的方法有如下有益效果：(1)本发明方法原位形成的纳米钯颗粒均匀，均匀分布并贯穿电极活性生物膜内外，形成三维纳米钯催化层，该催化层具有良好的导电性，实现电极和整个三维生物膜纳米钯结构之间有效的电子传递；(2)通过将恒定工作电极电位设置为相对于Ag/AgCl参比电极为-0.2～0.2V，更有利于高效和充分形成三维结构的纳米生物膜；(3)本发明电极活性生物膜自合成三维纳米钯催化层催化活性高，稳定性好，可直接原位应用于有机污染物的电催化还原测试，无需经过微生物碳化等前处理步骤，电催化活性高，改变了传统微生物还原纳米钯在应用上的缺陷；(4)本发明方法合成的三维纳米钯催化层稳定性好，无需使用全氟聚苯乙烯磺酸(Nafion)等粘合剂，减少成本投入；(5)本发明方法电极活性生物膜的形成、三维纳米钯催化层的形成和有机污染物的电催化还原在同一个体系内完成，流程简单，操控容易，运行成本低；(6)本发明合成的电极活性生物膜三维纳米钯直接应用于有机污染物的电催化还原过程，提高了催化活性。附图说明图1a和图1b分别为本发明实施例1合成的电极活性生物膜三维纳米钯催化层3000倍和4500倍场发射扫描电子显微镜图(FESEM)；图1c为本发明方法合成的电极活性生物膜三维纳米钯催化层X射线光电子能谱图(XPS)和，图1d为图1b中小方框区域能谱图(EDS)；图2为本发明实施例1合成的三维纳米钯催化层FESEM截面图；图3为本发明实施例1合成的电极活性生物膜三维纳米钯催化层超薄切片透射电镜图(TEM)；图4a为本发明实施例1合成的电极活性生物膜三维纳米钯催化层、比较例制备的钯催化剂以及裸碳玻电极在50mMPBS缓冲液中电催化析氢反应循环伏安曲线比较图；图4b为本发明实施例1合成的电极活性生物膜三维纳米钯催化层、比较例制备的钯催化剂以及裸碳玻电极在50mMPBS缓冲液中电催化硝基苯的还原反应循环伏安曲线比较图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。本发明提供一种电极活性生物膜原位合成三维纳米钯催化层的方法，包括以下步骤：(1)将电化学活性菌接种至厌氧密封电解池缓冲液中，然后连接至恒电位仪，恒定工作电极电位，控制培养温度为以保持所述电化活性菌保持活性，观察时间-电流曲线，当电流恒定不再增加停止恒电位培养；(2)以厌氧无菌缓冲液置换密封电解池内菌悬液，加入甲酸钠、钯盐溶液至电解池缓冲液中，控制还原温度以保持所述电化活性菌保持活性，进行搅拌还原，实现生物膜三维纳米钯催化层的原位合成。其中，所选用的电化学活性菌株为地杆菌GeobacterSulfurreducensPCA(DSM12127；ATCC51573)。对于生物膜培养步骤，优选条件为观察时间-电流曲线，当电流不再显著增加或者稳定在某一电流值不再增加时停止恒电位培养。更优选的的条件为观察时间-电流曲线，当电流趋于恒定不再显著增加时停止恒电位培养。其中对于缓冲液的组分，优选的电解池缓冲液为pH6-8的含磷酸盐和/或碳酸盐的缓冲液。优选缓冲液中包括1-2g的NH4Cl、0.3-0.9g的NaH2PO4、0.05-0.25g的KCl、1.5-3.5g的NaHCO3、0.7-1.0g的CH3COONa、2-30ml的Wolfe’s微量元素液(每升含有2.0mg生物素，2.0mg叶酸，10.0mg盐酸吡哆醇，5.0mg硫胺素，5.0mg核黄素，5.0mg烟酸，5.0mg泛酸钙，0.1mg维生素B12，5.0mg对氨基苯甲酸，5.0mg硫辛酸，1L去离子水)和2-30ml的Wolfe’s维生素液(每升含10.0mgNa2SeO3，10.0mgNiCl2·6H2O，10.0mgNa2WO4·2H2O，1.5g次氮基三乙酸，3.0gMgSO4·7H2O，0.5gMnSO4·H2O，1.0gNaCl，0.1gFeSO4·7H2O，0.1gCoCl2·6H2O，0.1gCaCl2，0.1gZnSO4·7H2O，0.01gCuSO4·5H2O，0.01gAlK(SO4)2，0.01gH3BO3，0.01gNa2MoO4·2H2O，1.0L去离子水，pH6.5)，缓冲液pH调节至5.8～7.8；更加优选的，每升缓冲液加入1.5g的NH4Cl、0.6g的NaH2PO4、0.1g的KCl、2.5g的NaHCO3、0.82g的CH3COONa、10ml的Wolfe’s微量元素液和10ml的Wolfe’s维生素液。该含量下制备的电极催化效果优良。优选缓冲液通过占总混合气的体积比为60％-80％N2和20％-40％CO2混合气通气除氧和高压蒸汽灭菌处理，所处理的缓冲液能进一步保证电极活性生物膜的形成，构筑三维纳米钯层骨架。对于工作电极，可以为现有技术中各种电极，优选的是工作电极为玻碳电极。优选的恒定工作电极的电位为-0.2～0.2V(相对于Ag/AgCl参比电极)；。对于电化学活性菌培养温度的选择，优选的是以维持活性菌活性的温度，进一步优选的是20-40℃，更进一步优选的是30℃。对于加入的甲酸钠和钯盐母液，优选的该母液先经过N2连续曝气除氧或其他方式除氧、灭菌处理。实施例1：将电化学活性菌地杆菌GeobacterSulfurreducensPCA(DSM12127；ATCC51573)以30％比例接种至厌氧密封电解池缓冲液中，每升缓冲液加入1.5g的NH4Cl、0.6g的NaH2PO4、0.1g的KCl、2.5g的NaHCO3、0.82g的CH3COONa、10ml的Wolfe’s微量元素液(每升缓冲液加入1.5g的NH4Cl、0.6g的NaH2PO4、0.1g的KCl、2.5g的NaHCO3、0.82g的CH3COONa、10ml的Wolfe’s微量元素液(每升含有2.0mg生物素，2.0mg叶酸，10.0mg盐酸吡哆醇，5.0mg硫胺素，5.0mg核黄素，5.0mg烟酸，5.0mg泛酸钙，0.1mg维生素B12，5.0mg对氨基苯甲酸，5.0mg硫辛酸，1L去离子水))和10ml的Wolfe’s维生素液(10.0mgNa2SeO3，10.0mgNiCl2·6H2O，10.0mgNa2WO4·2H2O，1.5g次氮基三乙酸，3.0gMgSO4·7H2O，0.5gMnSO4·H2O，1.0gNaCl，0.1gFeSO4·7H2O，0.1gCoCl2·6H2O，0.1gCaCl2，0.1gZnSO4·7H2O，0.01gCuSO4·5H2O，0.01gAlK(SO4)2，0.01gH3BO3，0.01gNa2MoO4·2H2O，1.0L去离子水，pH6.5)，然后连接至恒电位仪，恒定工作电极电位为-0.2V(相对于Ag/AgCl参比电极)，工作电极是直径为4mm的玻碳电极。控制培养温度为30℃，观察时间-电流曲线，当电流恒定不再增加停止恒电位运行。以厌氧无菌缓冲液置换密封电解池内菌悬液，加入甲酸钠、钯盐溶液，加入后浓度分别为25mM、20mg/L，还原体系总体积为60ml，温度为30℃，搅拌条件为200rpm，还原时间为24h，即实现了生物膜三维纳米钯催化层的原位合成。缓冲液经80％N2和20％CO2混合气通气除氧和高压蒸汽灭菌处理，缓冲液pH调节至6.8～7.0。本发明中所述甲酸钠和钯盐母液经过N2连续曝气除氧后用于三维纳米钯催化层的还原体系。实施例2：同实施例1，区别仅在于：电化学活性菌地杆菌GeobacterSulfurreducensPCA(DSM12127；ATCC51573)以40％比例接种至厌氧密封电解池缓冲液中。实施例3：同实施例1，区别仅在于：工作电极是有效面积为1cm-2的导电玻璃。实施例4：同实施例1，区别仅在于：恒定工作电极电位为0V(相对于Ag/AgCl参比电极)，控制培养温度为30℃，观察时间-电流曲线，当电流恒定不再增加停止恒电位运行。实施例5：同实施例1，区别仅在于：恒定工作电极电位为0.2V(相对于Ag/AgCl参比电极)，控制培养温度为30℃，观察时间-电流曲线，当电流恒定不再增加停止恒电位运行。实施例6：同实施例1，区别仅在于：每升电解池缓冲液中加入2.77gNaH2PO4·2H2O，11.55gNa2HPO4·12H2O，10ml的Wolfe’s微量元素液(每升含有2.0mg生物素，2.0mg叶酸，10.0mg盐酸吡哆醇，5.0mg硫胺素，5.0mg核黄素，5.0mg烟酸，5.0mg泛酸钙，0.1mg维生素B12，5.0mg对氨基苯甲酸，5.0mg硫辛酸，1L去离子水)和10ml的Wolfe’s维生素液(10.0mgNa2SeO3，10.0mgNiCl2·6H2O，10.0mgNa2WO4·2H2O，1.5g次氮基三乙酸，3.0gMgSO4·7H2O，0.5gMnSO4·H2O，1.0gNaCl，0.1gFeSO4·7H2O，0.1gCoCl2·6H2O，0.1gCaCl2，0.1gZnSO4·7H2O，0.01gCuSO4·5H2O，0.01gAlK(SO4)2，0.01gH3BO3，0.01gNa2MoO4·2H2O，1.0L去离子水，pH6.5)。比较例：菌悬液合成生物纳米钯(Sus-Pd)制备过程：使用纯菌地杆菌GeobacterSulfurreducensPCA(DSM12127；ATCC51573)经离心、缓冲液重悬(3000g10min)三次后，依次加入甲酸钠(终浓度为20mmol)，二价钯离子，控制细胞干重(CDW)与二价钯离子比例为3：1，在厌氧工作站内合成微生物纳米钯。反应时间为24h，温度为30℃。反应结束后，合成的微生物纳米钯经离心清洗收集备用。取与三维生物膜纳米钯相同的钯量涂布至相同玻碳电极上，干燥后即可使用。参数表征与催化活性实验：上述实施例制备的催化层、比较例制备成的钯催化剂以及裸碳玻电极催化活性的测试一为电催化析氢反应，测试步骤为以50mM厌氧磷酸盐缓冲液置换原装置内还原体系溶液，连接电化学工作站，选用电化学循环伏安曲线方法，设定条件参数扫描速度为10mV/s，扫描范围为0.1～-1.0V。观察起始电位和最大催化电流。上述实施例制备的催化层、比较例制备成的钯催化剂以及裸碳玻电极催化活性的测试二为电催化硝基苯的还原反应，测试步骤为以0.5mM厌氧硝基苯溶液置换原装置内还原体系溶液，连接电化学工作站，选用电化学循环伏安曲线方法，设定条件参数扫描速度为10mV/s，扫描范围为0.1～-1.0V。观察起始电位和最大催化电流。1、合成三维纳米钯催化层的表征如附图1a所示，当电极活性生物膜合成纳米钯催化层后，观察场发射扫描电子显微镜(FESEM)发现电极活性生物膜表面均匀覆盖纳米颗粒，FESEM高倍图1b可见纳米颗粒将微生物细胞紧密包裹，颗粒均匀。根据能谱图1d，表明覆盖的纳米颗粒主要成分为钯元素。进一步根据光电子能谱(XPS)分析结果，如附图1c所示，证实均匀分布在电极活性菌体表面的纳米颗粒为零价钯单质，拟合结果显示零价钯的两个峰的结合能主要集中在334.8和340.1eV，而二价钯元素的两个峰所在结合能与基线持平，表明本发明方法合成的三维纳米钯催化层均为零价钯单质。如附图2所示，FESEM观察其纵切面结构，完好呈现出电极活性菌的多层次结构，且表现出纳米钯完整的包裹在微生物菌体表面，不仅在外表面细胞菌体被纳米钯包裹，而是形成由生物膜接触电极的内侧到外表面，整个电极活性生物膜被层层包裹的三维结构。透射电镜切片的方法进一步对三维纳米钯催化层进行表征，如附图3所示电极活性生物膜合成纳米钯主要分布于细胞外表面，其中可能的原因是，当微生物以电极为电子供体，附着在电极表面生长时，其与胞外电子传递相关的细胞色素C或外膜蛋白的过量表达相关。从而为生物膜纳米钯的合成提供更多活性位点，促进纳米钯的合成，提高生物膜纳米钯催化活性。因此，该发明方法合成的纳米钯颗粒均匀，胞外分布并贯穿电极活性生物膜由内至外，形成电极活性生物膜三维纳米钯催化层结构。实施例2-5所制备的催化层也具有三维纳米钯催化层结构，纳米钯颗粒均匀，胞外分布并贯穿电极活性生物膜由内至外(本发明未提供相应附图)2、催化活性分析如附图4a所示，实施例1中电极活性生物膜原位合成的三维纳米钯催化层(EAB-Pd)催化析氢反应的起始电位为-0.30VvsAg/AgCl，较标准析氢电位正移0.31V。催化电流(析氢电流)显著提高，-1.0V电势下最大催化电流高于裸玻碳电极的93倍。然而EAB-Pd峰电位的大幅正移分析是由于生物膜表面纳米钯对氢原子的吸附和吸收作用所致，表明生物膜纳米钯体系能够有效地促进析氢反应过程。对比实施例1(EAB-Pd)和比较例(Sus-Pd)的循环伏安曲线发现在电极表面相同载钯量的情况下，EAB-Pd析氢反应的最大催化电流(-1.0V)远高于Sus-Pd达57倍。这一现象证实了EAB-Pd结构的高催化性。实施例1(EAB-Pd)在硝基苯溶液中的循环伏安曲线(附图4b)能够进一步证明EAB-Pd的高催化还原性能。得到与上述一致的实验结果，EAB-Pd能够有效催化硝基苯的还原，大幅提高催化电流，负向扫描中，-0.7v处可观察到硝基苯还原峰，此时催化电流是比较例(Sus-Pd)的9.3倍左右，且Sus-Pd相较于裸玻碳电极峰电流并未提高，反而降低25％，分析其原因为微生物菌体本身的不导电所致。结合上述实验结果证实EAB-Pd具有优异的电催化析氢和污染物硝基苯还原的能力。峰电流的增大和还原电势的正移都作为催化剂电催化活性提高的重要证据，说明EAB-Pd所呈现的三维催化层结构是提高其催化活性的关键所在。从以上结果可以看出，本发明方法使电极活性生物膜原位合成三维纳米钯催化层直接应用于污染物的电催化还原反应，极大的提高了微生物纳米钯的电催化活性。同时解决了现有的贵金属纳米催化剂化学合成成本高、反应条件苛刻、低稳定性、容易造成二次污染以及生物合成中存在的生物钯易流失、催化活性低、分离固定复杂、难以直接应用的技术问题。本发明方法具有操作简单，容易控制，运行成本低，可直接应用，稳定性好的优势。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。