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主要作者与发表信息

本研究由Bingfeng Liu、Yaruo Jin、Zhijiang Wang、Defeng Xing、Chao Ma、Jie Ding和Nanqi Ren共同完成。研究团队主要来自哈尔滨工业大学（Harbin Institute of Technology），包括环境生物技术研究中心和化学工程与技术学院。研究发表于International Journal of Hydrogen Energy期刊，具体时间为2017年5月8日，卷号为42，页码范围为18279-18287。

学术背景

氢能作为一种可持续且清洁的能源载体，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的重要途径之一。在多种制氢技术中，利用废水和生物质进行生物制氢（bio-hydrogen production）展现出巨大的潜力。其中，光发酵制氢（photo-fermentative hydrogen production）因其结合了废水处理、制氢和太阳能转换的优势，受到广泛关注。然而，光发酵制氢技术面临制氢效率低、光能转化率低、缺乏高效光生物反应器和廉价原料等问题，限制了其进一步发展。

近年来，纳米技术的快速发展为光发酵制氢提供了新的研究方向。纳米材料在制氢、污染物降解、灭菌、气体净化和自清洁材料等领域得到广泛应用。基于纳米颗粒的光催化技术（photocatalysis technique）因其利用太阳能降解有机或无机污染物的特性，成为21世纪的研究热点之一。本研究旨在通过添加不同光催化纳米颗粒（如TiO₂、ZnO和SiC）来增强光发酵细菌Rhodopseudomonas sp. nov. strain A7的制氢性能，探索更高效的纳米材料以提高光发酵制氢的效率。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 菌株与培养基准备
   研究使用的光发酵细菌Rhodopseudomonas sp. nov. strain A7是从哈尔滨工业大学环境生物技术研究中心的生物反应器污泥中分离得到的。培养基包括生长培养基和制氢培养基，主要成分包括乙酸钠、琥珀酸钠、酵母提取物、蛋白胨、L-半胱氨酸、磷酸盐、氯化铵、硫酸镁等。制氢培养基中还添加了谷氨酸钠和牛肉提取物。

2. 制氢实验与培养条件
   制氢实验在100 mL的光生物反应器中进行，工作体积为60 mL。反应器密封后充入氩气以维持厌氧条件，并在121°C下高压灭菌15分钟。光发酵细菌接种后，分别添加不同浓度的TiO₂、ZnO和SiC纳米颗粒。反应器在35°C、120 rpm的摇床中培养，光源为60 W的白炽灯，光强保持在150 W/m²。产生的气体通过排水法收集，主要成分为氢气和二氧化碳。

3. 纳米颗粒的制备
   TiO₂和ZnO纳米颗粒从阿拉丁工业公司购买，粒径分别为5-10 nm、25 nm、60 nm和100 nm（TiO₂）以及20-30 nm、30-40 nm和40-50 nm（ZnO）。SiC纳米颗粒通过将硅粉、二氧化硅颗粒和多壁碳纳米管按1:1:4的摩尔比混合，在1400°C至1600°C的烧结炉中制备，并在700°C下加热8小时以去除残余碳。

4. 数据分析
   产生的气体通过气相色谱仪（Agilent 4890D）分析氢含量，细菌浓度通过可见分光光度计（Unic 7200）测量，乙酸浓度通过气相色谱仪（Agilent 7890A）测定。光强使用太阳能功率计（Tenmars TM-207）测量，纳米颗粒的表面积和粒径通过BET微孔分析仪（ASAP2020）和纳米粒径分析仪（Nano-S）测定。

主要结果

1. TiO₂纳米颗粒的影响
   当TiO₂纳米颗粒浓度为300 mg/L、粒径为25 nm时，氢产量达到2.81 mol-H₂/mol-acetate，累积氢气量为2052 mL-H₂/L-culture，高于对照组（1781 mL-H₂/L-culture）。过高浓度（400-500 mg/L）的TiO₂会抑制氢产量。

2. ZnO纳米颗粒的影响
   当ZnO纳米颗粒浓度为100 mg/L时，氢产量达到2.64 mol-H₂/mol-acetate，累积氢气量为1919 mL-H₂/L-culture。过高浓度（150-300 mg/L）的ZnO会显著抑制氢产量。

3. SiC纳米颗粒的影响
   SiC纳米颗粒在浓度为200 mg/L、制备温度为1500°C时表现最佳，最大氢气量为2272 mL-H₂/L-culture，平均氢含量为85.2%，氢产量为2.99 mol-H₂/mol-acetate。与未添加纳米颗粒的对照组相比，氢产量提高了18.6%。

结论与意义

研究表明，添加TiO₂、ZnO和SiC纳米颗粒均能显著提高Rhodopseudomonas sp. nov. strain A7的光发酵制氢性能。其中，SiC纳米颗粒的效果最佳，其窄带隙半导体特性使其具有更强的可见光吸收能力，从而提高了光能转化效率和氢产量。该研究为光发酵制氢技术的优化提供了新思路，特别是通过结合光催化和光发酵技术，有望克服传统生物制氢路径的限制，推动氢能生产的进一步发展。

研究亮点

1. 重要发现：SiC纳米颗粒在光发酵制氢中表现出最佳效果，氢产量提高了18.6%。
2. 方法创新：首次将SiC纳米颗粒应用于光发酵制氢，并系统研究了其制备温度对制氢性能的影响。
3. 研究对象的特殊性：研究针对Rhodopseudomonas sp. nov. strain A7这一新型菌株，具有较高的应用潜力。

其他有价值的内容

研究还发现，纳米颗粒的添加不仅提高了氢产量，还促进了细菌的生长和底物的转化效率。未来研究将进一步探讨SiC纳米颗粒在光发酵制氢中的具体作用机制，以及如何实现SiC纳米颗粒的光催化与光发酵的协同作用，以进一步提高制氢效率和废水处理效果。