金属纳米颗粒辅助木质纤维素暗发酵生物制氢的研究进展

引 言

随着人口和工业化的快速增长，全球对能源的需求日益增加，化石燃料储备有限且会对环境造成不利影响，因此寻找代替化石燃料的可再生能源成为全世界广泛关注的问题[1]。相比其他能源，氢气具有可再生、零排放、能量密度高、热效率高等优势，使其成为21世纪备受重视的清洁能源[2]。氢能源来源广泛，不仅可以来自天然气、石油、煤炭等天然资源，还可以通过电解水产生[3]。目前，以废弃生物质为原料通过微生物制氢也成为氢气的一个重要来源，这些有机废物原料可再生，来源广泛可大量获得，使得生物制氢具有广阔的发展前景[4-5]。

生物制氢主要有四种途径：光解水产氢、光发酵产氢、暗发酵产氢和光-暗联合发酵产氢[6-9]。暗发酵由于无须光照、产氢速率快、耗能低、微生物类群广泛且可使用多种有机底物，是生物制氢最常用的工艺[10-12]。Web of Science引文索引中2004~2020年间涉及生物制氢各种主要方法的文章发表数量如图1(a)所示。可知暗发酵产氢相关的文章数量明显高于其他几种方法，且随年份呈现迅速增长趋势，近五年来尤为显著，2020年发表的文章数量接近250篇。相比之下其他几种生物制氢方法的文章数量较少且随年份增长缓慢。暗发酵产氢主要通过三种途径：丁酸型发酵、混合酸发酵以及NADH途径。参与暗发酵的碳水化合物主要是葡萄糖，主要产生乙酸、丁酸与氢气，具体反应式如式（1）~式（4）：

C6H12O6+2H2O2CH3COOH+2CO2+4H2(1)C6H12O6CH3CH2CH2COOH+2CO2+2H2(2)C6H12O6+H2OCH3COOH+C2H5OH+2H2+2CO2(3)NADH+H+NAD++H2(4)

图1

图1   木质纤维素暗发酵生物制氢及相关纳米颗粒的文献计量学分析

Fig.1   Bibliometric analysis of dark fermentative bio-hydrogen and related MNPs