微生物表面半导体材料功能化及其海水产氢性能研究开题报告

全文总字数：3761字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近几十年来，由于化石燃料燃烧过程中排放的碳和污染物气体所引起的环境问题日益严重和严重，为了以更加可持续和生态友好的方式满足世界范围内巨大的能源需求，中国政府做出了巨大努力。近年来致力于寻找清洁和可再生能源。氢作为最有发展前景的替代能源之一，以其零碳排放、高转换效率和良好的能源承载能力而备受关注，自20世纪70年代氢经济概念首次提出以来，氢已部分应用于能源领域。

然而，据报道，当今全球95%的氢生产仍然依赖于不可再生化石燃料的消耗。炼油和气化过程的环境危害、苛刻的条件和高昂的成本，严重制约了制氢工业的发展。因此，我们应该更加注重可持续的制氢技术。生物制氢技术可以在环境温度和压力下从葡萄糖、淀粉或甘油等有机物中产生氢气，也可以通过光合作用从光能中产生氢气。微生物细胞内的氢化酶作为催化剂，完成了电子向氢键的高度特异性转化。此外，由于生物有机体具有自我复制的特性，生物催化剂的成本相对较低，特别是在使用全细胞微生物时。然而，由于该技术的低体积生产率和量子效率阻碍了其产业化，近年来，利用半导体催化剂光诱导水电解制氢的研究越来越受到重视。光催化剂的激发和光能转换。无机半导体如二氧化钛（tio₂）、氧化铋（bi₂o₃）、氧化锌（zno）和硫化镉（cds）在光收集效率和广谱吸收方面表现出很高的性能光触媒在光激发过程中可以产生大量的电子，但由于对化学键缺乏特异性，电子对氢键的高转换效率难以实现。另外，传统的半导体化学合成所需的苛刻条件大大增加了成本，阻碍了光催化制氢的产业化。

微生物基数大，成本低，更耐海水腐蚀。我们以微生物细胞内的氢化酶作为催化剂，在细胞表面表面构筑多巴胺界面，再在界面外再构筑半导体材料层。形成的界面在帮助固定半导体材料的同时，还能保护细胞免受半导体材料在光反应时产生的毒性分子的伤害。除此之外，界面还能很好的维持细胞在海水这种高渗透压环境下的正常生理活性，从而维持一个较高的生物产氢效率。这是裸细胞不具备的。由于半导体在光激发过程中可以产生大量电子，进而使细胞生产氢气。因此，本文将以微生物中的大肠杆菌为主要研究重点，分别制备表面包覆半导体cds/p25/tio₂大肠杆菌并对其产氢性能进行相关研究。通过sem、tem等表征手段对功能化微生物的形貌、结构等进行表征，通过对样品进行产氢性能测试，并分析性能和结构之间的关系。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

细胞表面多巴胺界面及半导体材料层的构筑：采用包埋的方法制备细胞@pda@半导体材料，研究pda及半导体比例对产物性能的影响。在此基础上，通过sem、tem等表征手段对功能化微生物的形貌、结构等进行表征，通过对样品进行产氢性能测试，并分析性能和结构之间的关系。

产物产氢性能测试：在制备细胞@pda@半导体材料的基础上，将产物分别在光照及黑暗条件下进行产氢测试，分析光照对产物性能的影响。

3. 研究计划与安排

第1—3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4—8周：按照设计方案，完成细胞@pda@半导体材料的制备和表征。

第9—12周：优化制备工艺，获得结构优良材料的制备和结构参数，并测试产品性能。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] wang b , zeng c , chu kh , et al. enhanced biological hydrogen production from escherichia coliwith surface precipitated cadmium sulfide nanoparticles [j]. advanced energy materials,2017:1700611.

[2] xiong w , zhao x , zhu g , et al. silicification-induced cell aggregation for the sustainable production of h\r, 2\r, under aerobic conditions[j]. angewandte chemie international edition, 2015,54(41):11961-11965.

[3] su d , qi j , liu x , et al. enzyme modulated anaerobic encapsulation of chlorella cell towards functionalization switching for h2 production[j]. angewandte chemie international edition, 2019.