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主要作者及研究机构
本研究由Ping Yong、Iryna P. Mikheenko、Kevin Deplanche、Mark D. Redwood和Lynne E. Macaskie共同完成，研究机构为英国伯明翰大学生物科学学院功能生物纳米材料实验室。研究发表于2010年8月24日的《Biotechnology Letters》期刊。
学术背景
本研究属于生物技术与能源科学交叉领域，重点关注从工业废弃物中生物提取贵金属（如钯）并用于制造燃料电池催化剂。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEM-FC）是一种高效的氢能技术，但其广泛应用受限于贵金属催化剂的高成本和稀缺性。传统方法制造的纳米催化剂存在颗粒团聚问题，而生物制造方法通过微生物还原金属离子，能够克服这一问题。本研究旨在探索利用微生物从工业废弃物中回收钯，并将其用于制造高效、低成本的燃料电池催化剂，同时评估其在能源生产中的应用潜力。
研究流程
1. 微生物培养与金属沉积
研究使用了三种微生物：脱硫脱硫弧菌（Desulfovibrio desulfuricans）、大肠杆菌（Escherichia coli）和耐金属贪铜菌（Cupriavidus metallidurans）。这些微生物在厌氧条件下培养，并通过氢化酶（hydrogenase）将溶液中的钯离子（Pd(II)）还原为钯纳米颗粒（Pd(0)）。实验还测试了一种工程化大肠杆菌（E. coli IC007），其生物钯（bio-Pd）活性显著高于野生型。
样品制备包括将微生物细胞悬浮于含钯离子的溶液中，通入氢气进行还原反应，最终得到黑色沉淀物（bio-Pd）。通过透射电子显微镜（TEM）和X射线粉末衍射（XRD）确认钯纳米颗粒的形成。
催化剂制备与电极制作
将bio-Pd样品烧结后，与活性炭粉、Nafion离子交换树脂混合，均匀涂覆在碳纸上，制成燃料电池阳极。实验还测试了从工业废弃物中提取的混合贵金属（bio-PM）制成的催化剂。
燃料电池性能测试
使用实验室制作的bio-Pd和bio-PM电极，在商业燃料电池测试装置中进行性能测试。测量不同电阻下的电流和电压，计算功率输出。实验设置了正对照（bio-Pd D. desulfuricans）和负对照（bio-Pd E. coli MC4100），并与商业钯粉催化剂进行对比。
主要结果
1. 微生物还原钯的能力
TEM图像显示，D. desulfuricans形成的钯纳米颗粒均匀且尺寸较小，而E. coli形成的颗粒较大且数量较少。C. metallidurans的钯沉积介于两者之间。XRD确认所有样品中的金属为Pd(0)。
燃料电池性能
在25%钯负载量下，bio-Pd D. desulfuricans的功率输出为140 mW，bio-Pd E. coli MC4100为30 mW，bio-Pd C. metallidurans为60 mW。工程化E. coli IC007的bio-Pd功率输出为114 mW，显著高于野生型。从工业废弃物中提取的bio-PM功率输出为68 mW，达到商业钯催化剂的68%。
催化剂活性与负载量的关系
实验发现，钯负载量从5%提高到25%时，功率输出显著增加。例如，E. coli IC007在5%负载量下的功率输出为56 mW，而在25%负载量下达到114 mW。
结论
本研究证明了利用微生物从工业废弃物中回收钯并制造高效燃料电池催化剂的可行性。D. desulfuricans和E. coli IC007是制造高质量生物催化剂的理想微生物。从废弃物中提取的混合贵金属催化剂也具有较高的功率输出，为贵金属资源的可持续利用提供了新途径。此外，本研究提出的“集成生物精炼厂”概念，将生物氢生产与贵金属回收相结合，为实现清洁能源生产提供了创新思路。
研究亮点
1. 首次利用微生物从工业废弃物中回收钯并成功应用于燃料电池催化剂制造。
2. 发现工程化E. coli IC007在钯还原和催化剂活性方面的显著优势。
3. 提出“集成生物精炼厂”概念，将生物氢生产与贵金属回收相结合，为清洁能源生产提供了新方向。
其他价值
本研究不仅为燃料电池催化剂的低成本制造提供了新方法，还为贵金属资源的可持续利用和工业废弃物的高效处理提供了重要参考。此外，研究结果为进一步优化生物催化剂性能和开发新型能源技术奠定了基础。