西安建大云斯宁教授Chem Eng J：杂原子掺杂构建表面官能团提升厌氧发酵系统的性能

【引言】

作为一种有机废弃生物质再生利用的有效手段，厌氧发酵技术受到了广泛关注。已有的研究表明：在厌氧发酵系统中引入炭材料功能促进剂，可以有效的提升厌氧发酵系统的性能。此外，在碳材料表面构造表面官能团，可以改变碳材料的导电性、亲水性、疏水性、电化学性能、催化性能等。因此，设计和开发具有丰富表面官能团的厌氧发酵功能促进剂，提升厌氧发酵的产甲烷性能，对规模化厌氧发酵系统实现废弃物资源化综合利用有重大的意义。

【成果简介】

近期，西安建筑科技大学云斯宁教授（通讯作者）新能源材料研究团队在国际期刊Chemical Engineering Journal（期刊缩写Chem Eng J）上在线发表题为“A strategy for understanding the enhanced anaerobic co-digestion via dual-heteroatom doped bio-based carbon and its functional groups（2021,425,130473）”的论文，报道了杂原子掺杂生物炭（NP-BC和NS-BC）作为促进剂，对牛粪和芦荟厌氧共发酵系统的性能提升。论文采用N、S、P等杂原子掺杂，在生物炭表面构建了丰富的表面官能团。研究结果表明：相比于对照组（240.32 mL/g VS、45.63%和36.38%），含O（C-O和O-C=O）、含N（pyrrolic-N、pyridinic-N、graphite-N和oxidation-N）、含P（P-OH和O-P-O）和含S（S=O）官能团（NP-BC和NS-BC）的共发酵系统，其累计沼气产量（526.77 mL/g VS和489.19 mL/g VS）、甲烷含量（66.48%和65.50%）、TCOD去除率（80.19%和73.58%）均得到了大幅度的提升。此外，发酵系统产生的沼渣也获得了优异的热稳定性（质量损失：44.64%和45.28%），作为生物有机复合肥的组成，表现出了潜在的应用价值（总养分含量：4.72%和4.88%）。

作者也提出了一种策略，从表面官能团的角度，解释了杂原子掺杂生物炭促进剂对增强厌氧共发酵产甲烷的作用机理。一方面，含O、N和P官能团的引入促进了生物炭的电子交换能力（Electron exchange capacity，EEC），增强了产乙酸菌和产甲烷菌之间的电子转移，促进厌氧发酵中有机物的降解和甲烷的产生；另一方面，含N、P和S官能团的引入增强了生物炭促进剂对CO₂的吸附，加速了共发酵系统中CO₂的消耗，促进CO₂向CH₄的转化。

【图文导读】

图1  （a）BC、（b）NP-BC和（c）NS-BC样品的FTIR光谱。（d）杂原子掺杂生物炭的官能团类型。

图2 杂原子掺杂生物炭厌氧共发酵系统的（a-c）日产气量和（d-f）累积产气量。

图3 杂原子掺杂生物炭促进剂发酵系统的（a）CH₄和（b）CO₂含量，（c-d）厌氧发酵系统的总产气量。

图4 杂原子掺杂生物炭促进剂的电子交换能力（EEC）。EEC包括电子供给能力electron donating capacity (EDC)和电子接收能力electron accepting capacity (EAC)。

图5 （a）杂原子掺杂生物炭提升厌氧发酵产甲烷的途径；（b）表面官能团增强生物炭电子交换能力的示意图。

【总结】

这项工作采用多种杂原子掺杂，在生物炭表面构造了含O、N、P、S丰富的表面官能团，作为功能促进剂，应用于厌氧发酵系统，改善了厌氧发酵环境，提升了厌氧发酵系统的综合性能。有望从“沼气清洁生产”、“废弃物高效降解”和“沼渣肥料化利用”等三个方面提高厌氧发酵系统的整体性能，实现废弃物（芦荟废弃物、粪便废弃物、城市污泥废弃物） “热—电—肥联产”的资源化的综合利用。提出的表面氧化还原官能团增强厌氧发酵系统性能的策略，为开发高性能厌氧发酵促进剂提供了强有力的理论基础和技术支持。

文献链接：

Bingjie Li, Sining Yun*, Tian Xing, Kaijun Wang, Teng Ke, Jinhang An. A strategy for understanding the enhanced anaerobic co-digestion via dual-heteroatom doped bio-based carbon and its functional groups, Chem. Eng. J., 2021, 425, 130473.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130473

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721020593?via%3Dihub

【作者简介】

通讯作者-云斯宁：西安建筑科技大学，二级教授，博士生导师，陕西省“特支计划”科技创新领军人才，陕西省中青年科技创新领军人才。2007年于西安交通大学获博士学位，学位论文获2007年度西安交通大学优秀博士论文(14/423)。2007年获准国家留学基金委“西部地区人才培养特别项目”资助。2008-2009年在韩国Yonsei University博士后研究。2011-2012年在DUT国家重点实验室高级访问研究。2015年8月访问美国斯坦福大学、美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室。2016年8月英国里丁大学访问交流。2016-2017年瑞士洛桑联邦理工学院EPFL高级访问交流。近年来主要从事无机非金属能源材料高效和资源化利用研究。迄今以第一作者兼/或通讯作者在Chem Sov Rev, Prog Polym Sci, Energy Environ Sci, Electrochem Energy Rev, Adv Mater, Adv Energy Mater, ACS Energy Lett, Nano Energy, Appl Catal B-Environ, Angew Chem Int Edit, Renew Sust Energ Rev, J Mater Chem A, Chem Eng J, ChemSusChem, Carbon, J Power Sources, Bioresource Technol等国内外行业主流期刊上发表SCI论文120余篇。主编/参编专著9部，其中：主编外文专著2部；主编中文专著1部(2014获中国石油和化学工业优秀出版物二等奖)；主编研究生教材1部；参编中国、法国、印度、瑞典、波兰教授专著5部（之一下载量超过10万余次）。拥有26项国家授权专利技术。

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