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Abstract

本发明涉及一种可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法。该方法于添加有电解质溶液的微藻电解电池中，以微藻光电极作为阳极，在电解质溶液中加入电子介体，并于阳极和阴极间外加电压；在可见光驱动下，微藻细胞通过光合系统II分解水生成氧气、电子和质子，电子经由电子介体携带到达阳极，在外加电压作用下至阴极，与电解质溶液中的质子结合生成氢气。这种微藻电解电池在可见光驱动下可以实现水的阳极氧化，光电流与可见光照射同步，在阳极和阴极表面同步放出氧气和氢气，产氢速率可达16.4μL/h，比间接法产氢技术提高约40倍。本发明具有电极制备成本低且产氢效率高、无需氢氧分离的特点，可实现氢能高效、持续、稳定制备。

Description

一种可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法
技术领域
本发明涉及一种可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法，即于添加有电解质溶液的微藻电解电池中，以平面多孔电极材料为基底材料，在其上固定微藻细胞制备微藻光电极作为阳极，与阴极和参比电极构成三电极体系，在电解质溶液中加入电子介体，并于阳极和阴极间外加电压；在可见光驱动下，微藻细胞通过光合作用的光合系统II分解水生成氧气、电子和质子，电子通过电子介体穿过细胞膜到达电极的基底材料表面，电子在外加电压作用下传递至阴极，与电解质溶液中自阳极传递至阴极的质子结合生成氢气。
背景技术
微藻制氢是目前制氢领域中的研究热点，包括绿藻可逆氢酶及蓝藻固氮酶产氢，在能量利用及过程实现上各有其优缺点；蓝藻(也称蓝细菌)固氮产氢中产氢作为固氮的副反应仅能利用光解水所产质子的25％，其利用太阳能转化制氢的效率较低，难以达到实用化所要求的太阳能利用效率。绿藻在光合作用II过程中能将水分解成氧气、质子和电子，电子经过光合系统I的电子传递链及铁氧化还原蛋白传递给氢酶，氢酶将质子还原为氢气，其理论光解水产氢效率可达10％，但由于其产氢酶遇氧失活，现阶段普遍采用间接法制氢技术，虽能实现持续稳定的放氢过程，但对其的技术经济及效率分析表明间接法产氢无法实现实用化。以生物燃料电池或电解电池技术通过电子介体将生化反应中心，尤其是光合系统产生电子直接传递至电极，以实现光生物的直接光解水或光电解水制氢显然十分必要。这方面的报道如Torimura等以蓝藻为研究对象，使用DMBQ作为光诱导电子的传递介体，在悬浮体系及碳糊电极系统下实现了基于微藻的生物光电转换，获得了大约1微安量级的光诱导电流，并进行了相关的光合水氧化的研究。M.
Figure BDA0000116876810000011
等分离PSII、PSI及氢酶进行光和系统重要蛋白体与电化学系统的组装及光电流研究，获得了电流密度最高18微安/cm2的光电流，但其电极面积较小，仅2平方毫米，且蛋白分离及稳定技术手段复杂昂贵。
综观这些类似的研究，其中的关键问题在于如何实现电子在生化反应中心与电池的电极间的高效传递，将微藻细胞或光合产氢中心固定于电极材料上可有效地解决这一问题，在已有研究中多以碳糊电极进行，面积较小，且扩散限制较严重，制约了电子的传递效率提高。现有研究中藻细胞的固定化虽有大量报道，但固定藻细胞在较大面积的平板电极材料上制备绿藻生物电极并结合介体的使用应用于光诱导电子传递及分解水产氢的研究，在国内外均未有报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法，于添加有电解质溶液的微藻电解电池中，以平面多孔电极材料为基底材料，在其上固定微藻细胞制备微藻光电极作为阳极，与阴极和参比电极构成三电极体系，在电解质溶液中加入电子介体，并于阳极和阴极间外加电压；
在可见光驱动下，微藻细胞通过光合作用的光合系统II分解水生成氧气、电子和质子，电子通过电子介体穿过细胞膜到达电极的基底材料表面，电子在外加电压作用下传递至阴极，与电解质溶液中自阳极传递至阴极的质子结合生成氢气。
在平面多孔电极材料上采用海藻酸钙、硅溶胶-凝胶方法固定微藻细胞；
具体操作步骤如下：
1)硅溶胶的制备：取四乙氧基硅烷、PH＝2-3的HCl水溶液在室温下强烈搅拌形成酸性硅溶胶，用NaOH将硅溶胶pH调整为7.5-8.5备用；
2)取生长对数后期的微藻藻细胞，重悬在硅溶胶中，充分混匀，用移液器吸取混合液平铺在多孔电极材料上，在空气中风干，即制备了微藻生物电极。
步骤(1)中硅溶胶的制备：取四乙氧基硅烷、PH＝2-3的HCl水溶液体积比为1∶8-10，搅拌时间为24-72h，酸性硅溶胶pH为2.2-2.4。调硅溶胶pH所用NaOH为1M。
步骤(2)中取生长对数后期，浓度约1-6×106cells/mL的微藻，经1500-4000r/min离心浓缩2-5min，倒掉上层水后，即得所述的藻细胞。步骤(2)中电极材料为碳纸、不锈钢网或钛电极；混合液平铺在多孔电极材料上的厚度1-15微米。电极面积为0.5-24cm2，移液器吸取藻-硅溶胶的混合液体积为25-300μL。
所用微藻为在淡水及海水体系中生长的绿藻、金藻、硅藻和蓝藻中的一种或二种以上；步骤(2)中微藻藻细胞在硅溶胶中的浓度为4000-30000万个细胞/mL。
微藻电解电池包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室在底部液相连通、中上部设置有气体分隔板分开，用于分别收集放出的氧气和氢气，无需氢氧分离；在微藻电解电池阳极室和阴极室底部直接连通处设置有分隔物为质子交换膜、纳滤膜、微滤膜、玻璃滤纸、网栅或多孔绝缘板。
以制备的微藻生物电极作为光阳极，阴极是铂电极或钛电极，参比电极为甘汞电极、银/氯化银电极、或氢电极。
微藻为海水微藻采用灭菌海水为电解质溶液，微藻为淡水微藻采用磷酸缓冲液为电解质溶液。电解质溶液为盐度为0.5-35。
电子介体为对苯醌、2，6-二甲氧基-1，4-苯醌或2，6-二甲氧基-1，4-苯醌中的一种或二种以上；加入电子介体于电解液中的终浓度为10-400μM。
可见光为波长400-700nm的光，外加电压为0.75-1.35V的直流电压。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.使用硅溶胶-凝胶方法固定化绿藻细胞，有良好的透光性、机械强度和生物相容性。
2.缩小了电子介体的扩散距离，降低了还原性的介体与氧重新结合的风险，提高了电子传递及产氢的效率。
3.微藻光电极制备成本低、微藻电解电池结构简单且无需氢氧分离。
4.所构建的微藻电解电池在可见光驱动下可以实现水的阳极氧化，光电流与可见光照射同步，在阳极和阴极表面同步放出氧气和氢气，
5.以细胞数为基准对比，产氢能力比绿藻间接法产氢有40倍的提高。
6.可实现生物光合系统与电化学系统高效耦联，实现基于微藻细胞的直接
光电分解水制氢，高效低成本且简单易行。
本发明工艺简单，操作方便，成本低廉，易于放大，有效提高了微藻光解水产氢效率，可实现氢能的高效、持续、稳定的制备。
附图说明
图1为实施例1中微藻生物电极对光的响应曲线；
图2为实施例2中微藻电解电池结构示意图，1-微藻电极，2-铂电极，3-参比电极，4-氮气排气管，5-液面，6-阳极室，7-阴极室，8-搅拌，9-底部分隔，10-电位计；
图3为实施例2中可见光驱动下的光响应及氢氧浓度曲线；
图4为实施例2中可见光驱动下的光电流计算产氢体积与色谱检测值的比较。
实施案例
下面详细介绍本发明的两个实施例。
如图2所示，微藻电解电池包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室在底部液相连通、中上部设置有气体分隔板分开，用于分别收集放出的氧气和氢气，无需氢氧分离；在微藻电解电池阳极室和阴极室底部直接连通处设置有质子交换膜或多孔板作为分隔物。
所述的可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法，以微藻生物电极作为光阳极，与阴极及参比电极构成三电极体系，在电解池溶液中加入电子介体，进行放氧和放氢的检测。具体为；
制备的微藻生物电极作为阳极，与阴极及参比电极构成三电极体系，并在电解质溶液体系中加入终浓度为10-400μM电子介体，使用电化学工作站对电极进行测试；测试前通N2排氧20min，测试过程中于液面上持续通氮气除氧；阴极是铂电极或钛电极，参比电极是Ag/AgCl电极或甘汞电极；
电解质溶液为盐度为20-35；微藻为海水微藻采用灭菌海水为电解质溶液，微藻为淡水微藻采用磷酸缓冲液为电解质溶液。
磷酸缓冲液浓度为50mM，pH7.0-8.0。电解池溶液体积为50-500ml，阴极及参比电极测试前均经酸洗处理。
电子介体为对苯醌、2，6-二甲氧基-1，4-苯醌或2，6-二氯-1，4-苯醌中的一种或二种以上。
可见光为波长400-700nm的光，外加电压为0.75-1.35V的直流电压。
实施例1
亚心型四爿藻光电极对光的响应
(1)硅溶胶的制备：在60mL水、30mL 0.01M HCl的搅拌体系中缓慢滴入10mL四乙氧基硅烷，反应50h后，用1M NaOH溶液调整pH为7.50，接着反应48h，硅溶胶的pH为7.81，制备好的硅溶胶备用。
(2)取生长对数后期，浓度约3.50×106cells/mL的亚心型四爿藻57mL，经2000r/min离心浓缩1min，倒掉上清液后，即得所述的藻细胞。将离心得到的藻细胞重悬在2mL硅溶胶中，移液器吸取藻-硅溶胶的混合液体积为50μL，在空气中风干，制备绿藻生物电极。
(3)三电极体系中，阳极是绿藻生物电极，阴极是铂电极或钛电极，参比电极是Ag/AgCl电极或甘汞电极，电极材料为碳纸，电极面积为2.4cm2，灭过菌的天然海水为电解池溶液，电解池溶液体积为100mL。
(4)在暗条件下，三电极电解池中通氮气20min后，进行电化学阻抗谱，随后进行0.5V恒电位扫描；待基线稳定之后，加入电子介体对苯醌，终浓度为200μM，电流平稳之后进行光照，可见光为波长400-700nm的光，外加电压为1.21V的直流电压，光响应曲线如图1所示。光电流密度达到39.2微安/cm2。其对应的产氢能力是间接法制氢技术的约40倍。
实施例2
可见光驱动的微藻电解电池分解水放出氢气、氧气
(1)硅溶胶的制备：在60mL水、30mL 0.01M HCl的搅拌体系中缓慢滴入10mL四乙氧基硅烷，反应48h后，用1M NaOH溶液调整pH为7.49，接着反应4天，硅溶胶的pH为8.0，制备好的硅溶胶备用。
(2)取浓度约2.64×106cells/mL的亚心型四爿藻38mL，藻细胞的Fv/Fm＝0.754，yield＝0.606，经2000r/min离心浓缩1min，倒掉上清液后，即得所述的藻细胞。将离心得到的藻细胞重悬在1mL硅溶胶中，移液器吸取藻-硅溶胶的混合液体积为50μL，在空气中风干，制备绿藻生物电极。
(3)三电极体系中，阳极是绿藻生物电极，阴极是铂电极或钛电极，参比电极是Ag/AgCl电极或甘汞电极，电极材料为碳纸，电极面积为2.4cm2，灭过菌的天然海水为电解池溶液，电解池溶液体积为100mL。
(4)微藻电极作为光阳极和参比电极置于阳极室，阴极置于阴极室，阳极室和阴极室底部由多孔板分隔。
(5)在暗条件下，三电极电解池中通氮气20min后，进行电化学阻抗谱，随后进行0.5V恒电位扫描；待基线稳定之后，加入电子介体对苯醌，终浓度为100μM，电流平稳之后进行光照，可见光为波长400-700nm的光，外加电压为1.21V的直流电压，光响应及阴阳极附近的氢氧浓度曲线如图3所示，其中在与光照同步的光电流产生同时，阳极表面溶氧浓度、阴极表面溶氢浓度亦产生同步的峰形，表明可见光驱动下的微藻电解电池实现了分解水反应，放出了氢气、氧气。图4为产氢体积的光电流计算值与色谱检测氢体积值比较，二者基本吻合。

Claims (10)

1.一种可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法，其特征在于：
于添加有电解质溶液的微藻电解电池中，以平面多孔电极材料为基底材料，在其上固定微藻细胞制备微藻光电极作为阳极，与阴极和参比电极构成三电极体系，在电解质溶液中加入电子介体，并于阳极和阴极间外加电压；
在可见光驱动下，微藻细胞通过光合作用的光合系统II分解水生成氧气、电子和质子，电子通过电子介体穿过细胞膜到达电极的基底材料表面，电子在外加电压作用下传递至阴极，与电解质溶液中自阳极传递至阴极的质子结合生成氢气。
2.按照权利要求1所述的可见光驱动的微藻电解电池分解水制氢方法，其特征在于：
在平面多孔电极材料上采用海藻酸钙、硅溶胶-凝胶方法固定微藻细胞；
具体操作步骤如下：
1)硅溶胶的制备：取四乙氧基硅烷、PH＝2-3的HCl水溶液在室温下强烈搅拌形成酸性硅溶胶，用NaOH将硅溶胶pH调整为7.5-8.5备用；
2)取生长对数后期的微藻藻细胞，重悬在硅溶胶中，充分混匀，用移液器吸取混合液平铺在多孔电极材料上，在空气中风干，即制备了微藻生物电极。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：
步骤(1)中硅溶胶的制备：取四乙氧基硅烷、PH＝2-3的HCl水溶液体积比为1∶8-10，搅拌时间为24-72h，酸性硅溶胶pH为2.2-2.4。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中电极材料为碳纸、不锈钢网或钛电极；混合液平铺在多孔电极材料上的厚度1-15微米。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所用微藻为在淡水及海水体系中生长的绿藻、金藻、硅藻和蓝藻中的一种或二种以上；步骤(2)中微藻藻细胞在硅溶胶中的浓度为4000-30000万个细胞/mL。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：微藻电解电池包括阳极室和阴极室，阳极室和阴极室在底部液相连通、中上部设置有气体分隔板分开，用于分别收集放出的氧气和氢气，无需氢氧分离；
在微藻电解电池阳极室和阴极室底部直接连通处设置有分隔物为质子交换膜、纳滤膜、微滤膜、玻璃滤纸、网栅或多孔绝缘板。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：以制备的微藻生物电极作为光阳极，阴极是铂电极或钛电极，参比电极为甘汞电极、银/氯化银电极、或氢电极。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：
微藻为海水微藻采用灭菌海水为电解质溶液，微藻为淡水微藻采用磷酸缓冲液为电解质溶液。电解质溶液为盐度为0.5-35。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：电子介体为对苯醌、2，6-二甲氧基-1，4-苯醌或2，6-二甲氧基-1，4-苯醌中的一种或二种以上；加入电子介体于电解液中的终浓度为10-400μM。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：可见光为波长400-700nm的光，外加电压为0.75-1.35V的直流电压。
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