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主要作者及研究机构

该研究由Mpumelelo Thomas Matsena、Shepherd Masimba Tichapondwa和Evans Martin Nkhalambayausi Chirwa共同完成，他们均来自南非比勒陀利亚大学（University of Pretoria）的化学工程系水资源利用与环境工程部门。该研究于2020年7月24日发表在期刊Catalysts上。

学术背景

该研究的主要科学领域是微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）和生物合成纳米材料。研究背景在于，钯（Pd）是一种廉价且有效的电催化剂，能够替代铂（Pt）在许多应用中，但化学合成的钯纳米颗粒（PdNPs）通常需要使用有毒化学品并在严苛条件下制备。因此，研究团队提出了一种更环保的方法，利用从废水污泥中分离的Citrobacter sp.菌株生物合成钯纳米颗粒（Bio-PdNPs），并将其应用于MFC的阳极电催化剂，以提高MFC的性能。

研究的主要目标是：
1. 优化利用Citrobacter sp.生物合成Bio-PdNPs的条件；
2. 表征合成的Bio-PdNPs；
3. 评估Bio-PdNPs在MFC阳极中的电催化活性及其对MFC性能的提升作用。

研究流程

研究共分为以下几个主要步骤：
1. 微生物培养与分离：从南非Brits污水处理厂的污泥中分离出微生物群落，并通过耐受性实验筛选出能够耐受Pd(II)的菌株。实验在好氧和厌氧条件下进行，初始Pd(II)浓度分别为70 mg/L、100 mg/L和200 mg/L。最终筛选出三种厌氧菌株：Exigobacterium sp.、Bacillus sp.和Citrobacter sp.。
2. Pd(II)去除实验：分别使用纯菌株和混合污泥进行Pd(II)去除实验，评估不同菌株的Pd(II)去除能力。实验在厌氧条件下进行，初始Pd(II)浓度为40 mg/L。结果表明，Citrobacter sp.是唯一能够完全去除Pd(II)的菌株。
3. 生物合成Bio-PdNPs：在厌氧条件下，利用Citrobacter sp.和甲酸钠（HCOONa）作为电子供体，合成Bio-PdNPs。合成的Bio-PdNPs通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）和X射线衍射（XRD）进行表征。
4. MFC性能评估：将合成的Bio-PdNPs应用于MFC的阳极，评估其对MFC性能的提升作用。实验使用葡萄糖和甲酸钠作为碳源，比较了不同Bio-PdNPs负载量（2 mg/cm²和4 mg/cm²）对MFC输出功率密度和峰值电压的影响。

主要结果

1. 微生物分离与Pd(II)去除：在厌氧条件下，Citrobacter sp.表现出最高的Pd(II)去除能力，完全去除了40 mg/L的Pd(II)。混合污泥的去除率为76.6%，而Exigobacterium sp.和Bacillus sp.的去除率分别仅为22.6%和24.3%。
   
2. Bio-PdNPs的合成与表征：SEM和EDS分析显示，Bio-PdNPs成功沉积在Citrobacter sp.的细胞表面。XRD分析证实了Bio-PdNPs的形成，其晶体尺寸分别为15.65 nm和11.37 nm。
   
3. MFC性能提升：在MFC中，负载4 mg/cm² Bio-PdNPs的阳极表现出最佳性能，最大功率密度达到539.3 mW/m³（4.01 mW/m²），峰值电压为328.4 mV，分别比未负载Bio-PdNPs的碳棒阳极提高了59.6%和57.3%。

结论

该研究成功利用Citrobacter sp.生物合成了Bio-PdNPs，并证实其在MFC阳极中具有显著的电催化活性。Bio-PdNPs的合成方法环保且高效，为替代传统化学合成的PdNPs提供了新的途径。此外，Bio-PdNPs的应用显著提升了MFC的性能，为其在可再生能源领域的应用提供了重要支持。

研究亮点

1. 创新性合成方法：首次利用Citrobacter sp.在厌氧条件下生物合成Bio-PdNPs，避免了有毒化学品的使用。
   
2. MFC性能显著提升：Bio-PdNPs的引入使MFC的最大功率密度和峰值电压大幅提高，为MFC的实用化提供了技术支持。
   
3. 多维度表征：通过SEM、EDS和XRD对Bio-PdNPs进行了全面表征，验证了其结构和组成。

其他有价值的内容

研究还探讨了温度、pH和初始Pd(II)浓度对Bio-PdNPs合成的影响，优化了合成条件。例如，在pH 6和30°C的条件下，Bio-PdNPs的合成效率最高。此外，研究还发现，甲酸钠作为碳源比葡萄糖更有利于Pd(II)的去除和Bio-PdNPs的合成。

这篇研究不仅为生物合成纳米材料提供了新的思路，还为微生物燃料电池的性能优化提供了重要参考，具有显著的科学价值和应用潜力。