微生物纳米钯合成及其电极修饰催化特征分析

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微生物纳米钯具有优异的污染物催化降解能力,而且合成过程经济、绿色、安全,已经成为一种极具发展前景的新一代纳米催化材料制备工艺。针对催化反应中电子供体难以持续高效低传递问题,近年来学术界提出了利用电极作为微生物纳米钯(MN-Pd)固定化载体并用于催化还原污染物的技术手段,大大降低了电子供体的传质限制。然而,由于微生物导电性能差,导致电极于微生物纳米钯之间不能够有效地传递电子,随之降低了电极上微生物纳米钯的利用效率。鉴于此,本研究创新性地提出向体系中掺杂良导性碳纳米管,促进远距离电子传输过程,提高微生物纳米钯的利用率。本研究基于菌株Shewanella oneidensis MR-1可利用甲酸为电子供体在细胞表面合成纳米金属钯颗粒的能力,考虑到电极作为一种微生物纳米钯催化污染物降解的有效电子供体形式。考察了微生物细胞干重与二价钯离子质量之比(CDW:Pd)对合成微生物纳米钯过程的影响,初步明晰了微生物纳米钯合成的相关机制。另外,结合循环伏安分析探究了微生物纳米钯修饰电极的电催化还原性能。在此基础上,进一步证实了氨基化碳纳米管对微生物纳米钯修饰电极的电催化还原性能的促进作用,解决了微生物纳米钯难以有效地获得电极上的电子问题,为微生物纳米钯在环境污染物治理方面的应用提供了一种新思路。在CDW:Pd=1:1、5:1、9:1条件下,随着该比值的增加,二价钯离子的还原反应速度加快,纳米金属钯颗粒的合成量越多。且反应经过15min,三个质量比梯度下的二价钯离子还原率均可达到70%以上,而CDW:Pd=9:1的反应中二价钯离子的还原率可高达92.26%。各种纳米材料表征手段表明,随着微生物细胞干重与金属钯离子质量之比的增加,合成的微生物纳米钯粒径逐渐减小,粒径分布趋于集中,同时氨基化的多壁碳纳米管复杂交错的网状结构能够与微生物纳米钯形成特异性的导电空间矩阵结构。随着电极上钯含量的增加,析氢的催化电流增大,析氢反应的过电位发生正移。复合材料修饰电极析氢过电位增加至0.3V,催化电流增加到0.14mA,该值是氨基化碳纳米管修饰电极催化电流的3倍左右,微生物纳米钯修饰电极的5倍。然而,考察不同氨基化碳纳米管掺杂量对电化学催化性能影响发现,复合材料中的掺杂量并不是越多其催化效果越好,从经济性角度综合分析,氨基化碳纳米管的掺杂量不宜超过0.2387mg/cm2。
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