这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的详细介绍:
本研究的主要作者包括P. Yong、M. Paterson-Beedle、I. P. Mikheenko和L. E. Macaskie,他们均来自英国伯明翰大学的功能生物纳米材料研究组。该研究于2007年2月13日在线发表在《Biotechnology Letters》期刊上。
该研究的主要科学领域是生物制造和燃料电池技术。燃料电池被认为是未来驱动汽车、发电机和便携电子设备的关键技术,特别是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC,Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)因其在低温(低于100°C)下运行的优势而备受关注。然而,PEMFC的高成本,尤其是其催化剂层中铂(Pt)的使用,限制了其大规模应用。因此,研究人员希望通过生物矿化(Biomineralisation)技术,从废液中回收贵金属(如铂和钯),并将其制成纳米晶体,用于燃料电池的电极催化剂,以降低生产成本。
细菌培养与准备
研究人员使用脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans NCIMB 8307)作为生物催化剂。该菌株在特定条件下培养并收获,随后在MOPS/NaOH缓冲液中重悬,并在4°C下储存备用。
铂和钯的生物沉积
将浓缩的细菌细胞在厌氧条件下重悬于含有Na2PdCl4或Na2PtCl6的酸性溶液中,进行初步的生物吸附。随后,通入氢气(H2)进行生物还原,将溶液中的Pd(II)和Pt(IV)离子还原为Pd(0)和Pt(0)金属晶体。通过X射线粉末衍射确认了沉积金属的身份。
纳米颗粒的制备与电极制作
生物沉积的铂和钯纳米颗粒经过离心、洗涤和干燥后,在700°C下烧结,以提高其导电性。随后,将生物制造的铂和钯纳米颗粒与活性碳粉末和Nafion溶液混合,均匀涂覆在碳纸上,制成电极。
燃料电池性能测试
使用H-Tec公司的ECO H2/O2燃料电池系统测试了实验室制备的电极(包括生物制造的铂和钯电极)与商业铂催化剂的性能。通过测量电流、电压和功率输出,评估了各电极的催化效率。
生物吸附与还原
实验表明,脱硫弧菌对铂和钯离子具有较高的吸附能力,最大吸附量可达生物干重的15%。在氢气存在下,铂和钯离子被成功还原为金属晶体,并通过电子显微镜观察到了纳米级的金属沉积。
电极性能
烧结后的生物铂和钯催化剂在燃料电池中的表现接近商业铂催化剂。生物铂催化剂的最大功率输出达到了商业铂催化剂的100%,而生物钯催化剂的最大功率输出为商业铂催化剂的81%。这表明,生物制造的铂和钯纳米颗粒具有与商业催化剂相当的催化活性。
该研究证明了通过生物矿化技术从废液中回收铂和钯,并将其制成燃料电池电极催化剂的可行性。这不仅为燃料电池催化剂的低成本生产提供了新途径,还为可持续能源系统的开发奠定了基础。此外,该研究展示了将生物技术与纳米材料科学结合的潜力,为未来在能源和环境领域的应用提供了重要参考。
低成本催化剂制造
通过生物矿化技术,研究人员成功从废液中回收铂和钯,并将其制成高效的燃料电池催化剂,显著降低了生产成本。
高性能生物催化剂
生物制造的铂和钯催化剂在燃料电池中的表现接近商业铂催化剂,证明了其在实际应用中的潜力。
可持续能源系统
该研究为开发基于可再生材料的完整能源生成系统提供了新思路,推动了燃料电池技术的大规模应用。
该研究还探讨了将生物氢(Bio-H2)作为燃料电池燃料的可行性,并提出了利用发酵废料(如糖果废料和乙醇生产废料)制造生物催化剂的策略。这不仅有助于减少废弃物对环境的影响,还为贵金属资源的循环利用提供了新途径。
这项研究在燃料电池催化剂制造领域取得了重要突破,为未来的能源技术发展提供了新的方向。