介孔氧化硅负载纳米金属复合材料的结构调控及促进发酵产氢性能研究

A series of hybrid metal nanoparticles supported on surface bifunctionalized mesoporous silicas are synthesized and applied in the efficient degradation of organic wastewater and wastes to recover clean and renewable energy currency, hydrogen. Catalytic effects and biocompatibility of different hybrid metal nanoparticles on fermentative hydrogen production are investigated in batch experiments. The interactions between metal nanoparticles and microorganisms are studied, and the efficiencies of dark fermentation are improved by transforming the size of metal nanoparticles, surface charge characteristics, and the catalytic microenvironment for microorganisms and substrates. Through the design and assembly of the molecular level, the electric, magnetic, and chemical properties of the prepared hybrid metal nanoparticles were applied to improve the efficiency of biohydrogen production. The interactions between metal nanoparticles and hydrogenases are characterized to summarize and speculate the key factors affecting hydrogen production. This work provides a new idea and a novel approach in the study of anaerobic fermentative biohydrogen production, which is of significantly theoretical and practical value.

本项目拟设计、制备表面双改性介孔氧化硅负载纳米金属复合材料，将其应用于厌氧发酵碳水化合物制氢，以实现高效降解有机废水废弃物同时回收清洁可再生能源氢气。通过采用原位或后嫁接的方法引入不同链长、不同种类的脂肪胺基、巯基等有机基团以实现对功能载体表面的有机修饰；通过分子水平上的设计与组装，对金属复合材料的颗粒尺寸、表面电荷性质进行调变，以增强纳米金属颗粒与菌种间的相互作用，加快电子传输水平，提高厌氧发酵降解有机物的产氢效率；通过研究纳米金属复合材料性质与发酵产氢性能之间的构效关系，归纳总结影响细菌产氢效率的关键因素。本项目在生物制氢方向提出新的研究思路，有望在制氢效率提高和产氢影响机制认识方面取得突破，具有理论意义和实际应用价值。

暗发酵生物制氢的产氢效率不高成为限制其规模化应用的主要瓶颈，进一步优化工艺条件，制备高效、稳定、安全的催化剂成为实现暗发酵降解有机废水废弃物同时回收清洁能源氢气的重要途径。项目以设计制备双改性介孔氧化硅负载纳米金属复合材料催化暗发酵产氢为主要研究目标，提出以表面有机基团和金属氧化物修饰的介孔二氧化硅为载体，高分散负载活性金属，以提高纳米金属颗粒的稳定性并增强纳米颗粒与产氢细菌间的相互作用，从而提高暗发酵的产氢效率。主要从筛选具有催化产氢活性的金属，研究催化剂性质、组成、结构与性能的关系，研究催化产氢的内在机制等三方面开展研究：（1）筛选出铁、锰、镍、钴、金等金属具有促进产氢细菌暗发酵产氢的催化能力，制备了系列介孔氧化硅纳米金属复合材料，并应用于厌氧发酵及其他有机染料废水、重金属废水的吸附处理中，取得了快速高效的处理效果。（2）通过对上述复合材料的组成、孔径、比表面积、表面电荷等进行调节，改变催化微环境，调节催化剂与底物、细菌之间的相互作用，进一步提高吸附和催化产氢的效率。（3）测试了催化剂对不同接种物发酵不同底物产氢的催化效率，初步归纳了催化剂对产氢细菌的代谢途径的影响。本项目的研究思路在暗发酵生物制氢催化剂制备和产氢影响机制认识方面具有参考价值和实际应用价值。