本发明专利技术涉及一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置，其包括光电阳极室(2)、光电阴极室(3)、光电阳极片(4)、光电阴极片(5)和导线(10)；光电阳极室(2)内盛装中含有辅酶Q的阳极电解液；光电阳极片(4)浸没在阳极电解液(7)中；光电阴极室(3)内盛装阴极电解液(6)，且其中含有蓝藻、无氮培养基和辅酶Q；光电阴极片(5)浸没在阴极电解液(6)中；光电阳极片(4)上设有半导体光电材料；光电阳极片(4)用导线连接光电阴极片(5)，在光电阳极室(2)与光电阴极室(3)之间设有质子交换膜(1)。本发明专利技术利用光电材料产生电子供应蓝藻，蓝藻固氮酶利用电子还原氮，实现常温常压下以氮气为原料以光源为能量进行半人工高效固氮。量进行半人工高效固氮。量进行半人工高效固氮。
【技术实现步骤摘要】
一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置和方法
[0001]本专利技术涉及生物固氮
，尤其涉及一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置和方法。
技术介绍
[0002]人工固氮是一项极具挑战性的工作，因为氮键的裂解需要巨大的能量，工业固氮至今采用的仍是高温高压条件下的高能耗手段。光催化固氮被认为是一种可行的方案。然而动力学限制，使大多数未经修饰的光催化材料难以实现这一过程。光催化材料的表面自由基被认为是激活氮分子的关键。但是固氮理论极限仍然难以突破实现在常温常压下有效激活氮气裂解并抑制副反应。
[0003]自然微生物(蓝藻)在室温和环境压力下可通过固氮酶将氮气还原为氨实现固氮作用。十几年来，半人工光合系统通过整合微生物的代谢机制，成功实现光催化定向合成H2‑
和CO2‑
衍生有机物。这些成功构建的半人工光合系统使半人工光催化固氮成为可能。然而，光催化剂与生物组分之间的电子传递效率过低，大大限制了半人工光催化固氮技术的发展。
技术实现思路
[0004](一)要解决的技术问题
[0005]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置和方法，能够在常温常压条件下以氮气为原料以自然光源或人工光源为能量，实现高效半人工催化固氮，固氮过程清洁无污染，可输出氨氮肥料和氢气等产物，其解决了现有技术中光催化固氮产能低的技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置，其包括：光电阳极室(2)、光电阴极室(3)、光电阳极片(4)、光电阴极片(5)和导线(10)；
[0008]其中，光电阳极室(2)内盛装阳极电解液(7)，阳极电解液(7)为含有辅酶Q的电解质溶液；光电阳极片(4)浸没在阳极电解液(7)中；其中，光电阴极室(3)内盛装阴极电解液(6)，阴极电解液(6)中含有蓝藻、适宜培养蓝藻的无氮培养基和辅酶Q；光电阴极片(5)浸没在阴极电解液(6)中；所述光电阳极片(4)上设有能够发生光电效应产生游离电子的半导体光电材料；
[0009]其中光电阳极片(4)用导线连接光电阴极片(5)，而在光电阳极室(2)与光电阴极室(3)之间设有质子交换膜(1)，该质子交换膜将阳极电解液(7)与阴极电解液(6)隔离开但允许质子穿过。
[0010]根据本专利技术的较佳实施例，所述光电阳极室(2)和所述光电阴极室(3)为透光材质制成的槽体结构。
[0011]根据本专利技术的较佳实施例，所述固氮装置还包括外置光源(9)，所述外置光源(9)
照射所述阳极电解液(7)中的光电阳极片(4)以产生光电效应，在光电阳极片(4)产生电子和空穴，电子沿着导线(10)移动到光电阴极片(5)；所述外置光源(9)照射阴极电解液(6)提供蓝藻光合作用所需的光能。
[0012]根据本专利技术的较佳实施例，所述光电阳极室(2)和所述光电阴极室(3)为非透光材质制成的槽体结构，此时在光电阳极室(2)和光电阴极室(3)的内部设有内置光源。
[0013]根据本专利技术的较佳实施例，所述光电阴极室(3)为封闭的槽体结构，并设有氮气通入口，所述氮气通入口与光电阴极室(3)内外连通，用于向光电阴极室(3)供应氮气。氮气通入口还设有供氮气分散到阴极电解液(6)内部的导气管，导气管下端连接分布器或管壁上设有若干透气孔。
[0014]根据本专利技术的较佳实施例，所述光电阳极室(2)为封闭的槽体结构，并设有气体交换孔，所述气体交换孔用于将光电阳极室(2)产生的氧气导出。
[0015]根据本专利技术的较佳实施例，所述光电阳极片(4)包含载体和覆盖在该载体表面的二氧化钛基半导体材料。
[0016]根据本专利技术的较佳实施例，所述载体为导电玻璃；优选地，所述导电玻璃为氧化铟锡、掺杂氟的SnO2及氧化锌基材料中的一种或几种。
[0017]根据本专利技术的较佳实施例，所述光电阳极片(4)的制备方法如下：
[0018]步骤1：将二氧化钛基半导体材料分散到含有3
‑
6wt％Nafion溶液的无水乙醇中超声15
‑
25min备用,得到二氧化钛基半导体成膜浆料；
[0019]步骤2：将二氧化钛基半导体成膜浆料涂布到导电玻璃上，经烘烤干燥得到光电阳极片(4)。其中，导电玻璃为预先经过烘烤灯预热处理。
[0020]根据本专利技术的较佳实施例，所述光电阴极片(5)为碳布、铜片、银片或铂片。
[0021]根据本专利技术的较佳实施例，所述导线(10)为金属铜丝或铂丝。
[0022]根据本专利技术的较佳实施例，所述蓝藻为念珠藻、鱼腥藻、单岐藻、简孢藻及项圈藻中的一种或几种。
[0023]根据本专利技术的较佳实施例，接种到阴极电解液(6)中的蓝藻为经过无氮培养基培养5代后得到的纯化固氮蓝藻。
[0024]根据本专利技术的较佳实施例，所述阳极电解液(7)为含有辅酶Q的磷酸缓冲液。
[0025]根据本专利技术的较佳实施例，在所述阳极电解液(7)和阴极电解液(6)中，辅酶Q为辅酶Q0
‑
10中的任意一种或几种的组合；辅酶Q的浓度为0.02
‑
1mg/mL。
[0026]根据本专利技术的较佳实施例，在所述阴极电解液(6)中，蓝藻的接种浓度为4.24E8
‑
3.81E7cell/mL。
[0027]第二方面，本专利技术提供一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮方法，其采用上述任一实施例的固氮装置进行固氮，在固氮过程中，向光电阳极室(2)和向光电阴极室(3)提供人工光源或自然光光源，向光电阴极室(3)通入游离氮气；经过运行所述固氮装置后，在光电阳极室(2)收集氧气；在光电阴极室(3)收集得到富含氨或铵盐的藻液。该藻液可制作液体氮肥或固体氮肥。
[0028](三)有益效果
[0029]本专利技术装置结合了光电半导体材料的光电效应与蓝藻固氮机制和蓝藻光合作用，实现在常温常压条件下以氮气为原料以自然光源或人工光源为能量，实现高效半人工催化
固氮，固氮过程清洁无污染，解决了人工固氮难度大能耗高等问题。蓝藻的光合作用机制保证足够数量的蓝藻和维持蓝藻细胞的生命活力，产生更多固氮酶，提高固氮酶活，提供生命活动(细胞代谢增殖和固氮等)所需的能量，实现光合固氮。
[0030]还原一分子氮需要消耗6个电子，蓝藻固氮过程中消耗的电子也会对自身产生氧化损伤从而减少固氮，而外供电子可解决这个问题。
[0031]本专利技术利用了光电半导体受光激发能迅速发生电荷分离的性能，使用辅酶Q作为电子继电器，通过光电化学手段整合了具有光合固氮能力的蓝藻固氮机制；辅酶Q保证了电子从半导体材料到蓝藻的高效传递，除蓝藻光合作用自身产生的电子外，利用光电半导体光电效应额外补充了固氮所需电子。其中，半导体在光激发下产生的电子转移至光电阴极片，再经辅酶Q快速传递阴极电解液中的蓝藻细胞上，蓝藻细胞的固氮酶接收由外部所供应的电子，实现常温常压下的高效固氮。
[0032]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置，其特征在于，其包括：光电阳极室(2)、光电阴极室(3)、光电阳极片(4)、光电阴极片(5)和导线(10)；其中，光电阳极室(2)内盛装阳极电解液(7)，阳极电解液(7)为含有辅酶Q的电解质溶液；光电阳极片(4)浸没在阳极电解液(7)中；其中，光电阴极室(3)内盛装阴极电解液(6)，阴极电解液(6)中含有蓝藻、适宜培养蓝藻的无氮培养基和辅酶Q；光电阴极片(5)浸没在阴极电解液(6)中；所述光电阳极片(4)上设有能够发生光电效应产生游离电子的半导体光电材料；其中光电阳极片(4)用导线连接光电阴极片(5)，而在光电阳极室(2)与光电阴极室(3)之间设有质子交换膜(1)，该质子交换膜将阳极电解液(7)与阴极电解液(6)隔离开但允许质子穿过。2.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置，其特征在于，所述光电阳极室(2)和所述光电阴极室(3)为透光材质制成的槽体结构。3.根据权利要求1或2所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置，其特征在于，所述固氮装置还包括外置光源(9)，所述外置光源(9)照射所述阳极电解液(7)中的光电阳极片(4)以产生光电效应，在光电阳极片(4)产生电子和空穴，电子沿着导线(10)移动到光电阴极片(5)；所述外置光源(9)照射阴极电解液(6)提供蓝藻光合作用所需的光能。4.根据权利要求1所述的基于蓝藻生物固氮机制的固氮装置，其特征在于，所述光电阴极室(3)为封闭的槽体结构，并设有氮气通入口，所述氮气通入口与光电阴极室(3)内外连通，用于向...
【专利技术属性】
技术研发人员：雷炳富，潘晓琴，李唯，张浩然，张学杰，刘应亮，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：
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