论文总字数：19620字

摘 要

近几十年来，由于化石燃料燃烧过程中排放的碳和污染物气体所引起的环境问题日益严重，化石燃料的燃烧会产生温室气体加剧气候变化，还会产生有毒气体和颗粒污染物使环境污染不断加重，人体的健康正在遭受挑战，致力于寻找可循环再生的清洁能源成为科学家们的重要目标。氢气作为一种无毒、高效的新兴的可再生能源进入人们的视线。常规的产氢技术对原材料要求较高，价格昂贵。而在现有的产氢技术中，生物制氢由于具有很大的潜力与前景，备受人们关注。细胞包埋法是一种具有优势的方法，它可以将无机半导体的高效集光与生物催化剂的高特异性、低成本、自我复制和修复结合起来，从而达到高效产氢的效果。然而由于我国淡水资源匮乏，海水资源丰富，所以将海水利用起来具有重大意义。

本文以大肠杆菌作为模型细胞，在细胞表面表面构筑聚多巴胺（Polydopamine,PDA），在界面外再构筑半导体材料层。通过制作不同的细胞表面包埋半导体杂化结构，采用XRD、SEM、平板计数法等对样品进行结构、数量与产氢测试，从而探究不同结构产氢性能的优劣。

关键词：细胞包埋；生物制氢；海水产氢；

Abstract

In recent decades, environmental problems caused by carbon and pollutant gases emitted during the combustion of fossil fuels have become increasingly serious. The combustion of fossil fuels will generate greenhouse gases and exacerbate climate change. Toxic gases and particulate pollutants will also be produced to cause environmental pollution Increasingly, human health is being challenged, and working to find renewable and clean energy has become an important goal for scientists. As a non-toxic and efficient emerging renewable energy source, hydrogen has come into people's sight. Conventional hydrogen production technology requires high raw materials and is expensive. Among the existing hydrogen production technologies, biological hydrogen production has attracted much attention due to its great potential and prospects. The cell embedding method is an advantageous method, which can combine the efficient light collection of inorganic semiconductors with the high specificity, low cost, self-replication and repair of biocatalysts, thereby achieving the effect of efficient hydrogen production. However, due to the scarcity of fresh water resources in China and the abundance of sea water resources, the use of seawater is of great significance.
In this paper, E. coli is used as a model cell, and a polydopamine (PDA) interface is constructed on the cell surface, and a semiconductor material layer is constructed outside the interface. By making different semiconductor-embedded cell structures, XRD, SEM, and Flat colony counting method were used to test the structure, quantity, and hydrogen production of the samples, so as to explore the advantages and disadvantages of hydrogen production performance of different structures.
Keywords: cell embedding; biological hydrogen production; seawater hydrogen production;

Key words: Cell coating; biological hydrogen production; seawater hydrogen production;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 产氢技术研究现状 1

1.2.1 产氢技术的研究历程 1

1.2.2 生物产氢的发展历程 2

1.2.3 生物产氢有待解决的问题 2

1.3 细胞表面包埋半导体杂化结构样品的合成与产氢性能的提高 3

1.3.1 细胞表面包埋半导体杂化结构的合成 4

1.3.2 细胞表面包埋半导体杂化结构产氢性能的提高 5

1.4 课题研究的内容 5

第2章 实验部分 6

2.1 实验试剂及小型仪器设备 6

2.2 细胞表面包埋半导体杂化结构的合成制备 7

2.2.1 大肠杆菌的培养 7

2.2.2 表面包埋聚多巴胺界面的细胞的合成与制备 8

2.2.3 表面包埋功能化半导体材料的细胞的合成与制备 8

2.2.3.1 E.coli@PDA@CdS 8

2.2.3.2 E.coli@(PDA CdS) 8

2.2.3.3 E.coli@PDA@(PDA CdS) 9

2.3 样品产氢测试 9

2.4 材料结构表征及性能测试 10

第3章 形貌结构表征与性能测试 11

3.1 大肠杆菌的相关性能 11

3.1.1 大肠杆菌的SEM 12

3.1.2 大肠杆菌的生长曲线 12

3.1.3 大肠杆菌产氢曲线 13

3.2 细胞表面包埋聚多巴胺的相关性能 14

3.2.1 细胞表面包埋聚多巴胺的SEM图像 14

3.2.2 E.coli@PDA结构的产氢测试 15

3.3 细胞表面包埋半导体杂化结构的相关性能 16

3.3.1 CdS纳米颗粒的合成 16

3.3.2 CdS纳米颗粒的SEM图谱 16

3.3.3 CdS纳米颗粒的XRD能谱 17

3.3.4 CdS纳米颗粒的UV曲线图 17

3.3.5 细胞表面包埋半导体杂化结构的SEM图谱 18

3.3.6细胞活性测试 19

3.3.7细胞表面包埋半导体杂化结构的产氢测试 20

第4章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2 展望 21

参考文献 21

致 谢 24

附录1 25

附录2 26

绪论

研究背景

近几十年来，由于化石燃料燃烧过程中排放的碳和污染物气体所引起的环境问题日益严重和严重^[1]，致力于寻找可循环再生的清洁能源成为目前科学家们的重要目标。氢作为最有发展前景的替代能源之一，以其零碳排放、大热容比、高转换效率、高热导率和良好的能源承载能力而备受关注。然而，据报道，当今全球95%的氢生产仍然依赖于不可再生化石燃料的消耗。炼油和气化过程的环境危害、苛刻的条件和高昂的成本，严重制约了制氢工业的发展。除此之外，常规的产氢方法所使用的原材料多为珍贵且有限的淡水，生产成本较高，因此，有不少科学家将目光转移到资源丰富的海水上。然而，由于常规催化材料容易受到海水腐蚀，而细胞由于基数大，成本低，相对不易受海水影响^[2]等特点，近年来有许多科学家致力于可持续发展的生物制氢技术。

生物制氢技术可以在合适的环境温度和压力下从葡萄糖、淀粉或甘油等有机物中产生氢气^[3]，也可以通过光合作用从光能中产生氢气。微生物细胞内的氢化酶作为催化剂，完成了电子向氢键的高度特异性转化。此外，由于生物有机体具有自我复制的特性，生物催化剂的成本相对较低，特别是在使用全细胞微生物时。然而，由于该技术的低体积生产率和量子效率阻碍了其产业化^[4]，近年来，利用半导体催化剂光诱导水电解制氢的研究越来越受到重视。光催化剂的激发和光能转换。无机半导体如硫化镉（CdS）、二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO）等在光收集方面表现出很高效的性能。在光的激发下，半导体可以产生大量的电子，但由于对化学键缺乏特异性，电子对氢键的高转换效率难以实现。另外，传统的半导体化学合成所需的苛刻条件大大增加了成本，阻碍了光催化制氢的产业化。

产氢技术研究现状

产氢技术的研究历程

不可再生资源总有一天会耗尽，从长远发展的眼光来看，世界上许多国家早已开始将氢能作为战略性能源来发展。氢气不仅不产生二氧化碳，它的燃烧热值相较于等量的一次能源燃料来说更是高出许多，这意味着氢气的效率更高，它在释放能量时反应较为迅速。早在20世纪70年代，美国就已首先将氢能源技术应用于燃料电池^[5]。然而之后的几十年，由于产氢技术发展所需成本较高，氢能源技术的发展近乎停滞。直到2014年日本燃料电池技术的突破，在一次能源储量减少而导致能源紧缺的背景下，氢能源也重新受到各国重视。目前产氢技术主要分为两类^[6]，一种是传统产氢方法，包括天然气制氢、不可再生能源如煤、重油等制氢、电解水制氢。另一种是新型产氢技术，包括太阳能制氢、生物制氢。目前，化学链制氢（图1-1）是全球工业化产氢的主要方式。首先在载氧体的作用下，燃料生成二氧化碳及水，与此同时，载氧体处于还原的状态；处于还原态的载氧体又在蒸汽反应器中与水蒸气发生反应生成氢气^[7]。该制氢方法装置要求相对简单，但对于载氧体的要求较高。机械强度差、不耐高温的载氧体使得制成的氢气产量较低。太阳能制氢^[8]一般是利用太阳能在或高温、或通电的情况下使水分解成氢气与氧气，主要包括太阳能热分解水制氢、太阳光催化分解水制氢、太阳光电电解水制氢、太阳能生物制氢等多种方法。除了化学链制氢以及太阳能制氢以外，生物质制氢也是一种具有较大潜力的制氢技术，它包括但不限于生物质气化制氢、微生物降解制氢等技术路线^[9]。生物质气化制氢是在高温下将生物质与气化剂反应，产生富氢燃气的一种制氢方法。它在制备的过程中产生的副产物焦油不仅降低反应效率^[10]，还容易损害设备，阻碍制氢的进行。

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