[发明专利]氮掺杂生物碳负载钯催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了氮掺杂生物碳负载钯催化剂及其制备方法和应用，所述方法通过PDA在希瓦氏菌表面修饰氨基并吸附Pd(II)，经碳化后制备获得氮掺杂生物碳负载钯催化剂。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明利用原位聚合PDA对希瓦氏菌体表面进行修饰，PDA具有优秀的生物相容性，结构中含有大量的酚羟基和含氮基团对Pd(II)具有很强的吸附性；此外，PDA本身具有弱的还原性，能将部分Pd(II)还原生成纳米粒子。重要的是，希瓦氏菌是活体细胞，其代谢活动能有效还原Pd(II)，从而实现吸附过程和还原过程的同步强化。(2)将生物回收的Shewanella.oneidensis MR‑1@PDA@Pd进行煅烧，由于PDA含有丰富的氨基，在煅烧过程中，使得氮元素掺杂在碳材料中，从而进一步提高应用效果。

技术领域

本发明属于生物技术制备纳米材料技术领域，涉及一种功能性纳米材料催化剂，具体为氮掺杂生物碳负载钯催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

微生物法回收贵金属二次资源主要是利用细菌、真菌、藻类等生物浸出或生物吸附贵金属，实现贵金属二次资源的回收。由于条件温和，不需要高温高压或者引入高毒、高污染的化学试剂，受到越来越多的关注。近年，基于微生物回收Pd金属的研究已取得突破性进展：回收过程包含生物吸附和生物还原两个步骤，它们综合决定了Pd的回收效率和产物特性。

微生物法回收Pd二次资源的过程和效果与微生物菌体表面的官能团密切相关，对于特定的微生物菌种，其菌体表面的官能团种类及含量有限，导致其回收Pd的效果低于商业吸附剂。在明晰回收过程有效官能团的基础上，通过微生物菌体表面温和改性的方式，调控微生物菌体表面的有效官能团，从而强化微生物回收Pd的过程，提高Pd的回收效果，这将有利于促进微生物法回收贵金属二次资源的广泛应用和推广。如上所述，鉴于氨基与Pd之间的螯合作用，有学者通过化学反应引入含氨官能团来增加微生物的吸附能力。比如，用聚乙烯亚胺(PEI)修饰C.glutamicum后，其对Pd(II)的吸附容量显著增加(Park J et al.,Journal of Hazardous Materials 2010,181:794-800)。但是，由于PEI生物毒性较大，已有文献都是采用菌体冻干粉(死细胞)进行的实验。因此现有技术中PEI的修饰只能单纯强化微生物的吸附能力，无法确认在活菌中是否依然保证微生物是否依然具有Pd(II)的吸附能力。此外，生物回收的本质就是生物还原。从完整的绿色回收技术出发，生物回收技术需要朝着“废弃物-生物回收-回收产物资源化”的方向发展。回收的Pd纳米的后续高值化应用，显得十分重要，能够有效推动该技术的实用化进程。然而遗憾的是，目前仍未有关于微生物吸附过程和还原过程的同步强化以及产物高值化应用的相关报道。

发明内容

解决的技术问题：

问题一：通过化学反应在希瓦氏菌表面引入含氨官能团来增加微生物对Pd(II)吸附能力，且保证希瓦氏菌是在存活状态；

问题二：提供一套完整的绿色回收技术，即将回收的Pd NPs进行后续的高值化应用，具体是应用于4-硝基苯酚的还原催化过程，实现微生物吸附过程和还原过程的同步强化以及产物高值化应用。

技术方案：氮掺杂生物碳负载钯催化剂的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)Shewanella.oneidensis MR-1(希瓦氏菌)的培养

将Shewanella.oneidensis MR-1接种到Luria-Bertani培养液中，置于30℃、160r/min的摇床培养15-18小时；

(2)制备Shewanella.oneidensis MR-1@PDA