[发明专利]用于光催化制氢的复合纳米材料及其使用方法

说明书

相关申请交叉引用

依照35U.S.C.§119(e)，本申请要求于2005年5月16日提交的美国临时专利申请No.60/681,174的优先权，在此将其全文引入用于各种目的。

关于受联邦政府资助的研究或开发的声明

此处公开的发明部分地受到美国国家科学基金会(NationalScience Foundation)(授予号为MCB-0328341)和美国海军研究局(Office of Naval Research)(授予号为19-00-R0006)的资助。

技术领域

本发明涉及含有氢化酶和制氢纳米颗粒的复合材料，所述制氢纳米颗粒具有用于由可再生原料制氢的光催化剂。

背景技术

近来，人们对生产氢气作为替代能源产生了极大的兴趣。氢燃料电池技术的普及使用有赖于使用高效，经济上可行，并且环境友好的方式生产大量氢气(Armor et al.2005；Speigel et al.2004；Tseng et al.2005；Winter et al.2005)。用于获取能源而生产的大部分氢来自于甲烷或化石燃料的重组过程，因此，基于这些过程的氢能经济并不能减少对不可再生的化石燃料的依赖性。因此，开发能够由可再生资源(如给料(feedstocks))高效制氢，并且不产生温室气体或其它环境污染物的化学反应的催化剂显得至关重要。

氢化酶是非常先进的催化剂，其产生氢气的速率令合成化学家艳羡。很多微生物都能产生含金属的氢化酶(H₂ases)(Vigais et al.2001；Peters et al.1998，1999；Adams et al.1990)，氢化酶在氢气的氧化或者在质子的还原过程中按照下式发生作用：

氢气的氧化与还原当量的产生结合在一起，推动能量产生或生物合成过程。在厌氧发酵过程中，一些微生物能够将糖氧化所需电子载体的氧化和再生与质子还原和氢气的产生结合在一起。大部分含金属的氢化酶上的催化位都由具有一氧化碳和氰化物与Fe的双原子配体的Fe-Fe或混合金属NiFe位组成。氢化酶是唯一已知的能将这些通常有毒的化合物作为活性态的酶的必要部分利用的酶。和一般的酶一样，氢化酶也被组装以显示精确的组织基序(organizational motifs)，利用它们的蛋白结构来定位，并在化学上保持一个活性位，而在该活性位中底物的进入和产物的转移通道是关键的“设计”特征。底物、还原剂和产物必须能够进出催化位。此外，催化剂的连续循环需要不断地加入反应物和转移产物。氢化酶的催化位由独特的具有一氧化碳和氰化物配体的生物金属簇(Fe或者NiFe)组成(Peters et al.1998；Happe etal.1997；Nicolet et al.2000；Pierik et al.1998；Volbeda et al.1995)。

生物制氢可能会在新兴的氢经济中扮演关键角色(Varfolomeyevet al.2004；Wunschiers et al.2002；Chum et al.2001)。人们对将酶催化剂用于各种用途的材料中表现出越来越大的兴趣。在应用中利用酶，有几个典型问题需要解决。底物、还原剂和产物必须能够进出催化位。此外，催化剂的连续循环需要不断加入反应物并且转移产物。虽然从这些酶中已发现高达9000单位H₂每单位酶每秒的速率(Adams et al.1990；Cammack et al.1999)，但这些酶对氧气极度的敏感性，受限的表达(limited expression)和难以分离使其难以成为制氢的实用方法。

目前尚缺乏对使用氢化酶进行商业规模制氢的方法和系统的研究。美国专利No.6,858,718公开了一种氢化酶的基因编码，以及使用该基因产品进行分子氢的微生物生产的方法。更具体地说，该发明公开了孤立的核酸序列对稳定的氢化酶(HydA)进行编码，所述稳定的氢化酶(HydA)能够催化质子的还原而形成分子氢。

美国专利No.4,532,210公开了在藻类培养基(algal culture)中使用交替的明暗周期来进行生物制氢。该方法包括下述步骤的交替：在有氧条件下，在光照存在下，在水中培养藻类，以在藻类中积累光合产物(淀粉)的步骤；在微氧条件下，在黑暗中，在水中培养藻类，分解光合反应积累的产物来制氢。该方法采用了氮气吹扫技术来除去培养物(culture)中的氧气。