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作者及研究机构

该研究由Takashi Ogi、Ryuichi Honda、Koshiroh Tamaoki、Norizoh Saitoh和Yasuhiro Konishi共同完成，研究机构为日本大阪府立大学化学工程系。该研究于2011年发表在期刊《Powder Technology》上。

学术背景

研究的主要科学领域是纳米催化剂的制备及其在燃料电池中的应用。随着纳米技术的发展，金属纳米颗粒催化剂在氢化、脱氢、氧化及燃料电池等许多商业应用中显示出巨大的潜力。研究表明，减小催化剂颗粒尺寸可以增加其表面活性位点，从而提高催化活性。然而，传统的纳米颗粒制备方法通常需要高温、有毒溶剂和昂贵的保护剂，且后续处理复杂。因此，开发一种环保、低能耗的纳米颗粒制备方法具有重要意义。

微生物还原法作为一种绿色合成方法，能够在室温和中性pH条件下将可溶性金属离子还原为不溶性金属纳米颗粒。本研究旨在利用金属离子还原细菌Shewanella oneidensis，制备高分散的钯（Pd）纳米颗粒催化剂，并评估其在聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）中的电化学性能。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤：

1. 细菌培养与预处理
   使用Shewanella oneidensis MR-1菌株，在30°C、pH 7.2的条件下进行好氧培养。培养12小时后，通过离心收集细菌细胞，并用KH₂PO₄/NaOH缓冲液（pH 7.0）洗涤两次，最后将细胞悬浮在缓冲液中备用。

2. 钯纳米颗粒的制备
   在厌氧手套箱中，将S. oneidensis细胞悬浮液与PdCl₂溶液混合，并以甲酸盐作为电子供体。通过调节PdCl₂和甲酸盐的初始浓度，研究其对还原速率和颗粒分散性的影响。反应过程中，定期取样并通过原子吸收光谱或电感耦合等离子体（ICP）光谱分析溶液中Pd(II)的浓度。

3. 纳米颗粒的表征
   使用透射电子显微镜（TEM）观察细菌表面和细胞间隙中沉积的Pd纳米颗粒的形貌和尺寸分布。通过X射线吸收近边结构（XANES）分析确定纳米颗粒的氧化状态。

4. 催化性能评估
   将干燥的生物质负载Pd纳米颗粒作为阳极催化剂，制备膜电极组件（MEA），并在PEMFC中测试其功率输出性能。测试条件包括恒定的Pd负载量（1.28 mg/cm²）和氢气供应速率（300 mL/min）。

主要结果

1. Pd纳米颗粒的制备与表征
   在S. oneidensis细胞存在下，Pd(II)离子在10分钟内被迅速还原为Pd(0)纳米颗粒。TEM分析显示，纳米颗粒主要沉积在细菌表面和细胞间隙中，尺寸为5-10 nm。XANES分析证实了纳米颗粒的零价态。

2. 反应条件的影响
   甲酸盐浓度的增加显著提高了Pd(II)的还原速率，但过高的甲酸盐浓度（200 mol/m³）会导致纳米颗粒的团聚。初始Pd(II)浓度的增加则促进了纳米颗粒的均匀分散，最佳初始浓度为10 mol/m³，此时纳米颗粒的比表面积达到75.7 m²/g。

3. 催化性能
   在PEMFC测试中，生物质负载Pd纳米颗粒表现出良好的电化学性能。其中，初始Pd(II)浓度为10 mol/m³的催化剂（Bio-Pd10）的最大功率密度为4.78 mW/cm²，接近商业Pd/C催化剂的90%。

结论

本研究首次报道了利用S. oneidensis细菌一步制备高分散Pd纳米颗粒催化剂的方法，并成功将其应用于PEMFC阳极。研究表明，初始甲酸盐和Pd(II)浓度对纳米颗粒的尺寸和分散性具有重要影响。该方法具有环保、低能耗的优点，为燃料电池催化剂的绿色制备提供了新思路。

研究亮点

1. 绿色合成方法：利用微生物在室温和中性pH条件下制备Pd纳米颗粒，避免了传统方法中高温和有毒溶剂的使用。
2. 高分散性：通过优化反应条件，成功制备了尺寸均匀、分散性良好的Pd纳米颗粒。
3. 优异催化性能：生物质负载Pd纳米颗粒在PEMFC中的功率输出接近商业催化剂，显示出良好的应用潜力。

其他有价值的内容

研究还探讨了纳米颗粒在细菌细胞中的沉积位置，发现其主要集中在细胞间隙和细胞表面，这有利于反应物从液相向纳米颗粒的传输。此外，研究通过XANES分析验证了纳米颗粒的零价态，为后续研究提供了重要的实验依据。

该研究不仅为纳米催化剂的绿色制备提供了新方法，还为燃料电池的性能优化提供了重要的实验数据和理论支持。