小分子化合物，電化學(xué)活性菌及納米材料間的電子傳遞機(jī)制及應(yīng)用拓展.pdf

1、由于全球的能源危機(jī)和污染控制，可再生潔凈能源是人類(lèi)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。因此本文對(duì)電化學(xué)活性菌(EAB)和可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光催化光解水制氫體系進(jìn)行研究。EAB是環(huán)境中普遍存在的，并在生物地球化學(xué)，環(huán)境修復(fù)以及生物能源產(chǎn)電等領(lǐng)域起到重要作用。進(jìn)二十年來(lái)，對(duì)于EAB的胞外電子傳遞(EET)機(jī)制方面有大量研究，到目前為止，普遍認(rèn)為EAB將胞外電子傳遞到胞外的固體電子受體有三種可能的途徑:(a)直接接觸的電子傳遞;(b)胞外可溶性電子媒介;(c

2、)導(dǎo)電納米線(xiàn)或者導(dǎo)電鞭毛。通過(guò)對(duì)于EAB胞外電子傳遞機(jī)制的研究和闡明，對(duì)于檢測(cè)和定量EAB的胞外電子轉(zhuǎn)移能力有明確的指導(dǎo)作用，并對(duì)增強(qiáng)EAB在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、磐ㄟ^(guò)對(duì)EAB與可溶性媒介類(lèi)熒光探針核黃素小分子之間的電子轉(zhuǎn)移的研究，建立了一種快速、原位和高靈敏的熒光方法來(lái)檢測(cè)EAB，并量化EAB的胞外電子傳遞能力。此方法被成功用于定量?jī)芍昴Ｊ紼AB的平均胞外電子傳遞能力(Shewanella o

3、neidensis MR-1,1.32±0.04 fA; Geobacter sulfurreducens DL-1,9.08±0.23 fA)。此方法也通過(guò)定量并比較Shewanella野生型和突變株的平均胞外電子傳遞能力，從分子生物學(xué)水平上快速的鑒定了與胞外電子傳遞相關(guān)的基因。
　　⑵碳材料被廣泛的用于生物電化學(xué)體系中的電極材料，但是在長(zhǎng)期連續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中，微生物趨向于粘附在碳材料電極表面上并形成厚并且致密的生物膜，這將限制電

4、子和營(yíng)養(yǎng)物在微生物-電極界面的傳質(zhì)。通過(guò)采用修飾WO3納米棒的碳紙電極作為微生物燃料電池的陽(yáng)極，Shewanella oneidensis MR-1作為陽(yáng)極接種產(chǎn)電微生物，這種新型的電極材料能夠完全抑制Shewanella oneidensis MR-1生物膜的生長(zhǎng)，并且展現(xiàn)出優(yōu)越的電化學(xué)性能和對(duì)電子媒介核黃素的強(qiáng)的電化學(xué)響應(yīng)。這兩個(gè)因素結(jié)合起來(lái)能促成這種新型電極材料對(duì)于懸浮的Shewanellaoneidensis MR-1胞外的電子

5、的連續(xù)穩(wěn)定的攝取。這導(dǎo)致在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中以修飾WO3納米棒的碳紙電極為陽(yáng)極的微生物燃料電池比純碳紙電極以及修飾WO3納米顆粒的碳紙電極的微生物燃料電池展現(xiàn)出更穩(wěn)定的性能。此項(xiàng)工作表明WO3納米棒在實(shí)際生物電化學(xué)領(lǐng)域的新型抗生物污染材料中有廣泛的應(yīng)用前景。
　?、怯醒芯勘砻魍ㄟ^(guò)自組裝方法在金電極上修飾羧基終端的烷硫醇單分子層能夠有效的提高EAB與電極表面的電子轉(zhuǎn)移，但是這種增強(qiáng)機(jī)制仍然很難弄清楚。本工作通過(guò)自組裝方式在真空濺射金電

6、極表面修飾巰基乙酸與巰基乙氨單分子層，獲得Au-COOH以及Au-NH2。并在微生物電解池(MEC)體系里以Geobactersulfurreducens DL-1為陽(yáng)極產(chǎn)電微生物，分別以Au-COOH，Au-NH2以及Au作為的陽(yáng)極對(duì)電解池的性能進(jìn)行比較。此外，三種電極的電化學(xué)性能和電極表面與細(xì)菌之間的相互作用也進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Au-NH2具有最優(yōu)越的電化學(xué)性能，MEC體系里，Au-COOH和Au-NH2都產(chǎn)生了比Au高的電流密

7、度。Au-COOH表面形成的生物膜比Au表面的更稠密，然而Au-NH2表面形成的生物膜比Au表面的更厚。這些都表明直接電子傳遞在這個(gè)過(guò)程中起到的重要作用。這項(xiàng)工作表明羧基和氨基官能團(tuán)能夠通過(guò)加速EAB與電極之間的直接EET以提升電極的性能。
　　⑷光解水制氫氣這種潔凈能源的需求推動(dòng)了高效的光催化系統(tǒng)的快速發(fā)展。本工作報(bào)道了一種低成本，易制備，環(huán)境友好的可見(jiàn)光催化的光解水制氫系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括氧雜蒽染料和無(wú)機(jī)Ni(Ⅱ)或者Co(Ⅱ)鹽