生物質(zhì)能作為國際公認(rèn)的零碳可再生能源，具有綠色、低碳、清潔等特點。全球擁有豐富的生物質(zhì)資源，在綠氫綠碳生產(chǎn)、生物基新材料開發(fā)、碳減排交易等方面潛力巨大。厭氧消化(AD)是生物質(zhì)的重要轉(zhuǎn)化技術(shù)，其利用微生物將有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物氣（CO2和CH4）。但AD仍然存在效率低、反應(yīng)過程不穩(wěn)定等缺點，通過添加碳材料能有效解決這些問題。中國石油大學(xué)（北京）電氫化工團(tuán)隊李葉青組一直致力于生物質(zhì)高效厭氧消化及生物氣高值化（綠氫、綠色甲烷、綠醇等）研究，近年來在碳材料（生物炭、碳量子點等）促進(jìn)厭氧消化方向取得了系列進(jìn)展。
2018年，我們研究發(fā)現(xiàn)餐廚水熱炭（生物炭的一種）能促進(jìn)厭氧消化(Bioresource Technology, 2018, 267, 9-16)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)水熱炭和乙炔黑能促進(jìn)醋渣厭氧消化產(chǎn)甲烷(Waste and Biomass Valorization, 2020, 11, 3315-3325)；2022年，我們揭示了生物炭（水熱炭、熱解炭）促進(jìn)厭氧消化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)生物炭表面芳香官能團(tuán)及多分散特性是重要影響因素(Bioresource Technology, 344, 126353)，進(jìn)一步通過相關(guān)性分析、主成分分析和機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)生物炭的給電子能力(EDC)和電導(dǎo)率(EC)是影響厭氧消化累積產(chǎn)甲烷量的主要因素(Journal of Cleaner Production, 2022, 362, 132296)，并全面闡述了溫度對厭氧消化微生物生態(tài)系統(tǒng)影響(Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, 160, 112261)；2021年，我們首次發(fā)現(xiàn)碳量子點(CQD)能夠通過促進(jìn)電子傳遞而提高厭氧消化產(chǎn)甲烷效率(Journal of Hazardous Materials, 2021, 410, 124886)。
近日，我們研究發(fā)現(xiàn)不同來源腐植酸(HA)對厭氧消化產(chǎn)生不同程度抑制。盡管HA可以作為AD系統(tǒng)中的電子穿梭體，促進(jìn)大分子底物降解為小分子，但也會與產(chǎn)甲烷菌競爭電子。此外，研究表明，HA的活性官能團(tuán)（羧酸、酚和醌官能團(tuán)）能夠與微生物關(guān)鍵酶的活性位點結(jié)合，使酶失活從而抑制轉(zhuǎn)化效率。研究表明，具有更多羧基的HA在抑制AD方面表現(xiàn)出更大的潛力。該項研究為HA對AD的作用機(jī)制提供了有價值的見解，并為未來緩解HA抑制提高AD效率的研究提供了指導(dǎo)。相關(guān)成果以“From feedstock to digestion: Unraveling the impact of humic acid composition on anaerobic digestion”為題，于2023年10月在國際知名學(xué)術(shù)期刊Science of The Total Environment上發(fā)表。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166495
基于對于碳量子點(CQD)和腐植酸(HA)的認(rèn)識，本團(tuán)隊提出利用碳量子點屏蔽腐植酸并促進(jìn)厭氧消化，研究結(jié)果闡明了CQD與HA之間的相互作用機(jī)制，為原位緩解HA抑制提供了一種新的方法，指導(dǎo)其在生物能源生產(chǎn)中的應(yīng)用。相關(guān)成果以“Carbon quantum dots in-situ relieve humic acids inhibition on methanogens while significantly increasing the abundance of Methanosarcinaceae”為題，于2023年7月在國際知名學(xué)術(shù)期刊Journal of Cleaner Production上發(fā)表。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138258
通過對碳量子點(CQD)光電特性的深入了解，我們探究利用N摻雜碳量子點(NCQD)在光照環(huán)境下提高厭氧消化系統(tǒng)甲烷產(chǎn)量。研究通過構(gòu)建以可見光LED燈為光源的光厭氧消化系統(tǒng)，并首次探索了NCQD對該系統(tǒng)的作用效果與機(jī)理。相關(guān)成果以“N-doped carbon quantum dots enhance anaerobic digestion under light condition: The performances and potential mechanisms”為題，于2023年9月在國際知名學(xué)術(shù)期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146359
中國石油大學(xué)（北京）電氫化工科研團(tuán)隊成立于2007年，依托重質(zhì)油國家重點實驗室、生物燃?xì)飧咧道帽本┦兄攸c實驗室、生物能源北京高等學(xué)校工程研究中心、生物天然氣北京市國際科技合作基地、碳中和聯(lián)合研究院、墾利綠碳創(chuàng)新研究院、濮陽聯(lián)合研究院等國家級和省部級科研創(chuàng)新平臺開展科學(xué)研究和人才培養(yǎng)。團(tuán)隊由徐春明院士領(lǐng)銜、周紅軍教授為學(xué)術(shù)帶頭，利用氫與綠電使鋼鐵、煉化及合成氨等工業(yè)脫碳研究優(yōu)勢突出，主要在新能源、新材料、綠碳與環(huán)保、光催化、電化工等領(lǐng)域開展低碳技術(shù)開發(fā)。
