电极活性微生物原位合成纳米钯及催化难降解污染物定向还原机制

Microbial nano-palladium (MN-Pd), holding a great promise for reductive degradation of typical recalcitrant contaminants due to its remarkable catalytic activity and high tunable green synthetic routes, has become a research hot-point in recent years. To prevent the deterioration of catalytic activity caused by MN-Pd loss and maldistribution in conventional spread or dipping immobilization methods, here, the applicant proposes a novel simultaneous MN-Pd synthesis and immobilization strategy by in-situ producing nano-palladium on the electrochemical active biofilm (EAB) which is pre-accumulated on the electrode by the colonization of electrochemical active bacteria (e.g. Geobacter spp. and Shewanella spp.), and then the formed MN-Pd get electrons from electrode to produce nascent hydrogen and catalyze the reductive degradation of recalcitrant contaminant. In this proposal, we will throughly investigate various impact factors for EBA and MN-Pd formation to build up a controllable construction strategy for the biofilm/nano-palladium/3D-electrode (BNPE), and then the composed BNPE will be employed for the electro-catalytic reduction of nitro-aromatics to evaluate its catalytic activity, which would help us to understand the influences of the conductive components in BNPE (self-excreted conductive polymer or the doped conductive carbon nano-tubes) on the electron transfer rate, nascent hydrogen donating capability and the contaminants degradation efficiencies. Moreover, based on these results, we will further elucidate the possible mechanism of the enhanced nitro aromatic degradation efficiencies aroused by the BNPE and clarify the relationship between the BNPE construction and the maintained catalytic activity of MN-Pd, which, as a result, would improve the current theory and techniques of MN-Pd and facilitate its application on the environmental pollution management issue.

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，成为颇具研究价值的热点方向。申请者针对传统生物纳米钯异位合成-固定化-催化降解过程存在的生物钯易流失、分布不均匀、催化活性难以稳定维持等问题，创新性地提出利用电极活性微生物（EAB）在电极表面稳定生长原位合成微生物纳米钯（MN-Pd），并利用这种自固定化纳米钯持续提供"新生态氢"促进污染物催化降解的研究思路。本课题拟重点研究电极"诱导"下，典型EABs可控生长形成稳定电极活性生物膜的方法，以及构建"生物膜-纳米钯-三维电极复合体系"的调控策略；探究纳米粒子或导电聚合物对长距离电子传递的介导作用，以及对纳米钯持续提供氢还原力催化降解的促进作用。同时，探明MN-Pd-电极复合体系催化典型硝基芳香烃污染物降解的机制，以及复合体系拓扑结构与催化活性的内在关联，为推动生物纳米技术在环境领域的应用提供理论依据和技术基础。

纳米钯作为一种高性能的加氢反应催化剂，在催化某些难降解污染物还原分解方面极具优势，潜在应用于多种水环境污染（如化工、制药、印染废水等）处理过程。这也使得利用微生物系统这种生产低成本、绿色环保、可持续的新一代纳米材料合成体系还原回收利用纳米钯，成为颇具研究价值和应用前景的热点方向。基于电极活性微生物能够合成纳米钯的特殊性，针对微生物纳米钯应用于污染物催化降解时需满足的电极负载量大、分布均匀、催化活性稳定等实际需求，重点研究了：“生物膜-纳米钯-电极复合体系”的可控构筑、构建 “生物膜-纳米钯-电极复合体系”“长距离”电子传递通道增强催化活性及微生物纳米钯体系催化降解典型污染物的作用规律及机制。取得的主要创新成果如下：建立了“生物膜-纳米钯-电极复合体系”可控化技术与方法；构筑了导电纳米粒子(碳纳米管和石墨烯)复合生物膜纳米钯的强化体系，明确其对催化体系长距离电子传递的介导作用，以及对催化污染物降解的促进作用；同时，揭示了“生物膜-纳米钯-电极复合体系”催化降解典型污染物的作用规律及机制，并提出了定量表征微生物纳米钯形貌结构的重要参数及其与催化性能之间的内在关系。为推动生物纳米技术在环境领域中的应用提供依据和技术基础。本项目创新性的提出了利用电极活性生物膜（EAB）来构筑纳米钯三维结构，这种基于EAB的新型纳米Pd合成过程通过更为绿色的，简单易控制且实现了电极活性生物膜的形成、三维纳米钯的合成和有机污染物的催化还原在同一个体系内进行，在此过程中无需额外的化学粘结剂和细胞碳化过程，三维体系电催化活性高、稳定性好、可直接应用。该研究也为设计和开发有效的生物钯催化剂提供了重要的指导作用，这些规律性特征有助于理解金属纳米颗粒的生物合成过程，也有助于提高其在不同体系应用中的催化活性。同时证明了导电纳米材料引入生物金属体系的有效性，为绿色合成纳米材料在电化学领域的应用提供了更多的可能性。