[发明专利]一种产氢的氧缺陷二氧化钛与大肠杆菌生物复合系统的制备

说明书

本发明提出了用于产氢的氧缺陷二氧化钛‑大肠杆菌(TiO_2‑x@E.Coli)生物复合系统的制备方法，主要涉及以下步骤：氧缺陷二氧化钛(TiO_2‑x)纳米材料的制备和表征、TiO_2‑x@E.Coli生物复合系统的制备与表征和复合系统产氢性能的探究。TiO_2‑x@E.Coli生物复合系统不仅利用了TiO_2‑x较高的光活性、光化学稳定性而且还利用了E.Coli生物体中高度特异的生物催化能力，经聚乙烯亚胺(PEI)修饰后的TiO_2‑x带正电，更有利于和带负电的细菌E.Coli结合，用于生物制氢。该TiO_2‑x@E.Coli生物复合系统在可见光(780nmλ420nm)照射下三小时产氢量能够达到1.25mmol，是TiO₂@E.Coli生物复合系统产氢量的1.31倍，是纯大肠杆菌产氢量的3.13倍，显著提高了产氢效率。

技术领域

本发明属于生物制氢领域；用于产氢的氧缺陷二氧化钛与大肠杆菌生物复合系统(TiO_2-x@E.Coli)主要涉及以下步骤：氧缺陷二氧化钛(TiO_2-x)纳米材料的制备和表征、TiO_2-x@E.Coli生物复合系统的制备与表征和复合系统产氢性能的探究。

背景技术

由于能源的枯竭和化石燃料燃烧导致的环境问题，人们需要利用可再生的、生态友好的太阳能。太阳能驱动产生的氢能为解决有限化石燃料短缺的问题提供了一种理想的策略，因此受到了极大的关注。近年来，由无机半导体优良的光吸收效率和高产氢微生物组成的生物复合系统引起了人们的极大关注。通常，光合作用生物复合系统(PBSS)包括基于酶的(无细胞的)和基于全细胞的两种形式。无细胞的PBSS对酶的纯化要求很高，且纯化酶操作复杂，成本高。而全细胞PBSS是表达氢酶的全细胞作为生物催化剂的新方法，由于其制备简单、稳定性高，与纯氢酶生物复合系统相比具有明显的优势。

在全细胞PBSS的原型中，几种纳米颗粒-细胞生物复合材料被设计用于实现无机材料和活细胞之间的电子传递。其中非光合作用的热醋酸菌被生物沉淀的硫化镉自光敏化，并在光下促进醋酸的产生。随后，将镉与不同的细菌物种整合，包括大肠杆菌、沼泽红假单胞菌、脱氮硫杆菌，用于将太阳能转化为化学物质。此外，还成功地证明了AglnS₂/In₂S₃、InP和CdS@ZnS与微生物的整合。尽管取得了这些有希望的进展，但PBSS仍处于早期发展阶段，对生物和非生物界面上的电子传递机制和界面效应知之甚少。在这项研究中，我们通过在二氧化钛的导带下引入缺陷带，来实现可见光吸收以及电荷分离效率的提高。并将氧缺陷TiO_2-x纳米颗粒和兼性厌氧细菌大肠杆菌(E.Coli)结合起来，用于生物制氢。

发明内容

本发明要解决的是TiO₂具有较大的禁带宽度，仅能吸收太阳光中小于5％的紫外光，导致TiO₂@E.Coli生物复合系统产氢效率较低的问题。通过本方法能够大量生产出氧缺陷 TiO_2-x纳米颗粒，来实现可见光吸收以及电荷分离效率的提高。其次，本方法使用PEI修饰了TiO_2-x纳米颗粒，使TiO_2-x纳米粒子由负电变成了正电，这样其可以与表面带负电的大肠杆菌通过静电相互作用结合。这样可以显著提高TiO_2-x@E.Coli生物复合系统的产氢效率。

为解决上述问题，本发明用于产氢的氧缺陷二氧化钛-大肠杆菌(TiO_2-x@E.Coli)生物复合系统的制备，主要涉及：氧缺陷二氧化钛(TiO_2-x)纳米材料的制备和表征、TiO_2-x@E.Coli生物复合系统的制备与表征和复合系统产氢性能的探究。具体是按下述步骤进行的：