本發(fā)明涉及可再生能源，更具體地，本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)co2轉(zhuǎn)化為甲烷等高價(jià)值燃料已成為應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)的關(guān)鍵策略。納米生物雜化體將半導(dǎo)體優(yōu)越的光敏性能與全細(xì)胞微生物高效的催化性能相結(jié)合，在co2光催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，基于傳統(tǒng)納米半導(dǎo)體所構(gòu)建的生物雜化體的應(yīng)用卻面臨挑戰(zhàn)。例如，專利cn109666703b公開了一種光驅(qū)動(dòng)甲烷八疊球菌還原二氧化碳產(chǎn)甲烷的方法，該方法采用cds等傳統(tǒng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體構(gòu)建納米生物雜化體，存在生物兼容性差、質(zhì)子-電子傳遞效率低和甲烷產(chǎn)率低等問(wèn)題；為了解決這些問(wèn)題，專利cn112237839?b提出了一種過(guò)渡金屬介導(dǎo)的納米生物雜化體構(gòu)建方法，利用摻雜過(guò)渡金屬提高半導(dǎo)體納米顆粒的穩(wěn)定性和光催化效率，然而該方法主要是強(qiáng)化光生電子的傳遞效率，卻未能有效解決甲烷選擇性差的問(wèn)題。相比之下，專利cn114085826b公開了一種三明治結(jié)構(gòu)的光電產(chǎn)甲烷生物雜化體的構(gòu)建方法，通過(guò)在微生物與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體之間構(gòu)建雙金屬中間層，充當(dāng)“電子橋”并促進(jìn)光電子轉(zhuǎn)移與表面催化氫氣反應(yīng)，從而提高甲烷選擇性。但該方法構(gòu)建過(guò)程復(fù)雜，且難以有效調(diào)控生物-無(wú)機(jī)界面，限制了納米生物雜化體的推廣應(yīng)用。因此，亟需開發(fā)一種兼容性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)換效能優(yōu)越的新型生物雜化體系的構(gòu)建方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供了一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法及其應(yīng)用。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

3、s1.對(duì)液態(tài)金屬進(jìn)行超聲處理，制備得到具有“核-殼”結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬微顆粒；

4、s2.對(duì)產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行培養(yǎng)，當(dāng)培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期或od600值為0.1～0.3時(shí)，加入所述液態(tài)金屬微顆粒，構(gòu)建液態(tài)金屬基生物雜化體系；

5、s3.對(duì)液態(tài)金屬基生物雜化體系進(jìn)行光照培養(yǎng)，促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)代謝以及甲烷生成。

6、在一些實(shí)施方式中，步驟s1中的液態(tài)金屬為單質(zhì)鎵或鎵銦合金，鎵銦合金中鎵元素與銦元素的質(zhì)量比為75.5：24.5～80：20。

7、在一些實(shí)施方式中，步驟s1為：將液態(tài)金屬置于磷酸鹽緩沖溶液中，在25～40℃下進(jìn)行超聲處理10～80min，超聲處理的功率220～360w。

8、在一些實(shí)施方式中，步驟s1中液態(tài)金屬微顆粒的粒徑范圍為8微米～10納米，其表面氧含量為1～20％。

9、在一些實(shí)施方式中，步驟s2中產(chǎn)甲烷菌為甲酸甲烷菌(methanobacteriumformicicum)、馬氏八疊球菌(methanosarcina?mazei)、巴氏八疊球菌(methanosarcinabarkeri)或甲烷螺旋菌(methanospirillum?hungatei)中的至少一種。

10、在一些實(shí)施方式中，步驟s2中液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方式為自沉積或物理黏附-自組裝中的一種。

11、在一些實(shí)施方式中，步驟s2中液態(tài)金屬基生物雜化體系中液態(tài)金屬微顆粒的負(fù)載量為0.25～1g/l。

12、在一些實(shí)施方式中，步驟s3中光照培養(yǎng)的條件為：光照波長(zhǎng)：395±5nm或太陽(yáng)光全光譜，光照強(qiáng)度：0.8～100mw·cm-2，光照時(shí)長(zhǎng)：12h/天，光照時(shí)間：7～28天，光照溫度：33～37℃。

13、根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法在促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌高效生長(zhǎng)代謝以及甲烷生成方面的應(yīng)用。

14、本發(fā)明的有益效果：

15、1、本發(fā)明通過(guò)利用液態(tài)金屬材料構(gòu)建自適應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換體系，促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌在光照條件下的代謝活動(dòng)，從而提高甲烷生成效率，解決了光電子傳遞效率低下、穩(wěn)定性差的問(wèn)題；液態(tài)金屬可通過(guò)空氣中氧氣的氧化形成獨(dú)特的“核心-外殼”結(jié)構(gòu)，其中包括自限式氧化層作為光敏層，以及高導(dǎo)電和質(zhì)子傳遞的液態(tài)金屬核心作為電子-質(zhì)子傳遞層，本發(fā)明中制備的液態(tài)金屬微顆粒提供了光敏層和電子-質(zhì)子傳遞層，并對(duì)兩者的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在氧化過(guò)程中形成的核-殼結(jié)構(gòu)為光驅(qū)動(dòng)甲烷生成提供了優(yōu)越的催化性能和生物相容性，從而促進(jìn)了高效的co2轉(zhuǎn)化為ch4的過(guò)程。

16、2、液態(tài)金屬與氧氣接觸后，迅速在其表面形成一層穩(wěn)定的氧化物的過(guò)程實(shí)質(zhì)上構(gòu)建了一個(gè)局部缺氧微環(huán)境，因?yàn)檠趸磻?yīng)消耗了周邊氧氣，降低了環(huán)境的氧氣分壓，從而形成了低氧/無(wú)氧區(qū)域，這種特性的存在對(duì)厭氧微生物非常有益，能減少氧氣可能帶來(lái)的抑制或干擾效應(yīng)。本發(fā)明的方法適用于多種產(chǎn)甲烷菌和液態(tài)金屬材料，具有良好的通用性和可擴(kuò)展性，為生物能源領(lǐng)域提供了一種新的技術(shù)路徑；

17、3、本發(fā)明的方法成本低廉，具有工藝簡(jiǎn)單、自供能、自調(diào)整，選擇性高的優(yōu)點(diǎn)，并且液態(tài)金屬基生物雜化體系的相對(duì)簡(jiǎn)單性使其更易于以模塊化方式進(jìn)行組裝和改進(jìn)，可進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用，本發(fā)明提供的方法及應(yīng)用在提高光合甲烷生成效率、增強(qiáng)體系穩(wěn)定性以及擴(kuò)大應(yīng)用范圍方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)于推動(dòng)生物能源技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s1中的液態(tài)金屬為單質(zhì)鎵或鎵銦合金，所述鎵銦合金中鎵元素與銦元素的質(zhì)量比為75.5：24.5～80：20。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s1為：將液態(tài)金屬置于磷酸鹽緩沖溶液中，在25～40℃下進(jìn)行超聲處理10～80min，超聲處理的功率為220～360w。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述具有“核-殼”結(jié)構(gòu)的液態(tài)金屬微顆粒由表面自限制氧化物層及液態(tài)金屬層組成。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述液態(tài)金屬微顆粒的粒徑范圍為8微米～10納米，其表面氧含量為1～20％。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述產(chǎn)甲烷菌為甲酸甲烷菌(methanobacterium?formicicum)、馬氏八疊球菌(methanosarcinamazei)、巴氏八疊球菌(methanosarcina?barkeri)或甲烷螺旋菌(methanospirillumhungatei)中的至少一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s2中液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方式為自沉積或物理黏附-自組裝中的一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s2中液態(tài)金屬基生物雜化體系中液態(tài)金屬微顆粒的負(fù)載量為0.25～1g/l。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟s3中光照培養(yǎng)的條件為：光照波長(zhǎng)：395±5nm或太陽(yáng)光全光譜，光照強(qiáng)度：0.8～100mw·cm-2，光照時(shí)長(zhǎng)：3～24h/天，光照時(shí)間：7～28天，光照溫度：33～37℃。

10.權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法在促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌高效生長(zhǎng)代謝以及甲烷生成方面的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種液態(tài)金屬基生物雜化體系的構(gòu)建方法及其應(yīng)用，該方法包括：S1.制備液態(tài)金屬微顆粒；S2.將產(chǎn)甲烷菌與液態(tài)金屬微顆粒結(jié)合，構(gòu)建液態(tài)金屬基生物雜化體系；S3.進(jìn)行光照培養(yǎng)，促進(jìn)甲烷生成。本發(fā)明通過(guò)構(gòu)建液態(tài)金屬基生物雜化體系，克服了雜化體系中材料質(zhì)子、電子傳遞受限、結(jié)合不穩(wěn)定、成本昂貴等缺點(diǎn)，并有效提升了光電促生甲烷的效率。本方法相對(duì)簡(jiǎn)單、制備成本較低、可操作性強(qiáng)、適用性強(qiáng)，為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)CO<subgt;2</subgt;轉(zhuǎn)化為甲烷提供了一種高效穩(wěn)定的生物轉(zhuǎn)化途徑，在環(huán)境工程、可再生能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：顧文智,葉捷,周順桂
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福建農(nóng)林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2