生物制氢公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

1 许多同学去拜会大学教授许多同学去拜会大学教授,起初大家相谈甚欢起初大家相谈甚欢,然而说着说着然而说着说着,学学生们话题便转向了埋怨生们话题便转向了埋怨,他们埋怨生活压力和功课负荷。他们埋怨生活压力和功课负荷。这时这时,教授不动声色地从厨房里取出了许多个不同质地、不同形教授不动声色地从厨房里取出了许多个不同质地、不同形状杯子状杯子,其中有陶质、有瓷质、有木质、有玻璃、也有塑胶。教授让同其中有陶质、有瓷质、有木质、有玻璃、也有塑胶。教授让同学们自己取杯子倒水喝。杯子被取得七七八八后学们自己取杯子倒水喝。杯子被取得七七八八后,托盘上只剩下一些粗托盘上只剩下一些粗陋杯子。陋杯子。教授这时微笑着说教授这时微笑着说:“你们瞧你们瞧,全部细致、古朴、玲珑、美丽杯子全部细致、古朴、玲珑、美丽杯子都被拿走了都被拿走了,剩下剩下,全是让人瞧不上眼塑胶杯。全是让人瞧不上眼塑胶杯。杯杯 子子 第第1页页第第1页页2生物制氢与燃料电池生物制氢与燃料电池 1.氢与氢能氢与氢能 2.生物制氢生物制氢3.氢存储及运送氢存储及运送4.氢利用氢利用燃料电池燃料电池 第第2页页第第2页页31.氢与氢能氢与氢能p元素周期表第一个元素元素周期表第一个元素p原子结构最简朴原子结构最简朴p氢气密度最小，无色无味氢气密度最小，无色无味p常压下，常压下，-252.87时可变为无色液体时可变为无色液体p常压下，常压下，-259.1时可变成雪状固体时可变成雪状固体p氢气燃烧产生大量热（氢气燃烧产生大量热（氢能氢能）：）：142 kJ/g，是汽油发热量，是汽油发热量3倍倍p燃烧速度快，易爆燃烧速度快，易爆p在自然界中主要以水、石油、煤炭、天然气、生命体、有机物形式在自然界中主要以水、石油、煤炭、天然气、生命体、有机物形式存在存在p最抱负能源最抱负能源第第3页页第第3页页4氢能特点氢能特点(1)起源广。自然界存在氕，其丰度约为氢总量起源广。自然界存在氕，其丰度约为氢总量99.98%。地球上水。地球上水储量为储量为21018万万t，是氢取之不尽、用之不竭主要源泉。，是氢取之不尽、用之不竭主要源泉。(2)燃烧热值高。氢气热值为燃烧热值高。氢气热值为121061kJ/kg，是甲烷，是甲烷2.4倍，汽油倍，汽油2.4倍，乙醇倍，乙醇4.5倍，高于所有化石燃料和生物质燃料。倍，高于所有化石燃料和生物质燃料。(3)清洁。氢本身无色无味无毒，若在空气中燃烧产生水；清洁。氢本身无色无味无毒，若在空气中燃烧产生水；(4)燃烧稳定性好。容易做到比较完善燃烧，燃烧效率很高。燃烧稳定性好。容易做到比较完善燃烧，燃烧效率很高。(5)存在形式多。氢能够以气态、液态或者固态金属氢化物出现，能存在形式多。氢能够以气态、液态或者固态金属氢化物出现，能适应储运及各种应用环境要求。适应储运及各种应用环境要求。(6)氢是氢是“和平和平”能源。化石能源分布极不均匀，经常引起激烈资源能源。化石能源分布极不均匀，经常引起激烈资源争夺。而氢即可再生起源又广，每个国家都有着丰富氢资源，因此能够争夺。而氢即可再生起源又广，每个国家都有着丰富氢资源，因此能够说是说是“和平和平”能源。能源。第第4页页第第4页页5氢能发展是历史必定？氢能发展是历史必定？能源利用趋势：高碳能源利用趋势：高碳 低碳；低碳；低氢低氢 高氢；固态高氢；固态 气态气态 能源能源 氢氢/碳碳 碳碳/氢氢 柴薪柴薪 0.01 100 煤炭煤炭 0.7 1.43 石油石油 1.8 0.56 天然气天然气 3.5 0.29 氢氢 0第第5页页第第5页页6氢能发展概况氢能发展概况1974年，国际氢能源协会（年，国际氢能源协会（International Association for Hydrogen Energy，IAHE）开办，并于开始举办两年一届国际氢能论）开办，并于开始举办两年一届国际氢能论坛（坛（Hyforum）。）。年年11月在美国首都华盛顿欧米尼月在美国首都华盛顿欧米尼西海姆大酒店举办氢能国际经济合西海姆大酒店举办氢能国际经济合作伙伴（作伙伴（IPHE）会议，共有）会议，共有15个国家和欧盟政府代表团以及各国工商界个国家和欧盟政府代表团以及各国工商界代表参与，中国是组员国之一。其目的是，到代表参与，中国是组员国之一。其目的是，到20，制氢成本费用减少到，制氢成本费用减少到能使其称为交通运送燃料选择之一。能使其称为交通运送燃料选择之一。第第6页页第第6页页7氢能氢能永恒能源永恒能源电：不能大规模存储；氢：可大规模存储。电：不能大规模存储；氢：可大规模存储。核聚变：氘核聚变：氘+氚氚 氦；氢弹、太阳能。氦；氢弹、太阳能。受控核聚变：受控核聚变：高温（几千万高温（几千万-几亿摄氏度）几亿摄氏度）低气体密度（常温低气体密度（常温常压下几万分之一）常压下几万分之一）能量约束时间超出能量约束时间超出1s。资源丰富：资源丰富：氘氘海水中含有氘可供人类以当前能源消费水平使用上亿年；海水中含有氘可供人类以当前能源消费水平使用上亿年；氚氚没有；没有；锂锂锂锂+中子中子 氚，锂可用氚，锂可用12万年。万年。分数氢：常规氢与核聚变中间层。分数氢：常规氢与核聚变中间层。第第7页页第第7页页8氢制备办法氢制备办法水制氢水制氢电解：通电；电解：通电；热化学：热化学：1000，催化剂（，催化剂（Me3O4，MeCl2）；）；热裂解：热裂解：3000。化石能源制氢化石能源制氢煤气化：煤煤气化：煤 焦炭；焦炭；C+H2O H2+CO;CO+H2O H2+CO2天然气：天然气：CH4+2H2O 4H2+CO2;CH4 2H2+C石油：石油：CH3OH+H2O 3H2+CO2;通式：通式：hv+CxHy+H2O H2+CO2;第第8页页第第8页页9第第9页页第第9页页102.生物制氢生物制氢与老式化学制氢办法相比，生物制氢含有无污染、可再生和不消耗与老式化学制氢办法相比，生物制氢含有无污染、可再生和不消耗珍贵矿物资源突出长处。珍贵矿物资源突出长处。按培养条件：光合生物制氢（藻类、光合细菌）、发酵细菌制氢按培养条件：光合生物制氢（藻类、光合细菌）、发酵细菌制氢（固氮作用等）、光合生物和发酵细菌联合培养制氢。（固氮作用等）、光合生物和发酵细菌联合培养制氢。按产氢机制：光裂解制氢；光发酵制氢、暗发酵制氢；按产氢机制：光裂解制氢；光发酵制氢、暗发酵制氢；第第10页页第第10页页11第第11页页第第11页页122.1 光合作用光合作用第第12页页第第12页页13原初反应原初反应原初反应原初反应 电子传递和电子传递和电子传递和电子传递和光合磷酸化光合磷酸化光合磷酸化光合磷酸化 光反应光反应 暗反应暗反应第第13页页第第13页页14光反应主要蛋白光反应主要蛋白舞台舞台 主演主演 配角配角第第14页页第第14页页152.1.1 原初反应原初反应是指是指从光合色素分子从光合色素分子被光激发被光激发，到引起第一个，到引起第一个光化学反应光化学反应为止过程。为止过程。物理过程：光吸取、传递物理过程：光吸取、传递化学过程：电子传递化学过程：电子传递特点特点1.1.速度非常快，速度非常快，1012 s 109 s内完毕；内完毕；2.与温度无关，与温度无关，(77K，液氮温度，液氮温度)(2K，液氦温度，液氦温度)；3.量子效率靠近量子效率靠近1。第第15页页第第15页页16天线色素天线色素 特殊色素特殊色素 第第16页页第第16页页17第第17页页第第17页页18第第18页页第第18页页19光吸取与传递光吸取与传递 色素分子能态色素分子能态激激发态命运命运1.1.放放热2.2.发射射荧光与磷光光与磷光3.3.色色素素分分子子间能能量量传递 4.4.光化学反光化学反应第第19页页第第19页页20色素分子间能量传递色素分子间能量传递激子传递激子传递激子通常是指非金属晶体中由电子激发量子，它激子通常是指非金属晶体中由电子激发量子，它能转移能量但不能能转移能量但不能转移电荷。转移电荷。这种在这种在相同分子间相同分子间依托激子传递来转移能量方式称为激子传递。依托激子传递来转移能量方式称为激子传递。第第20页页第第20页页21共振传递共振传递在色素系统中，一个色素分子吸取光能被激发后，其中高能电子振在色素系统中，一个色素分子吸取光能被激发后，其中高能电子振动会引起附近另一个分子中某个电子振动动会引起附近另一个分子中某个电子振动(共振共振)，当第二个分子电子振动，当第二个分子电子振动被诱导起来，就发生了电子激发能量传递。这种依托电子振动在分子间被诱导起来，就发生了电子激发能量传递。这种依托电子振动在分子间传递能量方式就称为传递能量方式就称为“共振传递共振传递”。在共振传递过程中，供体和受体分子在共振传递过程中，供体和受体分子能够是同种，也能够是异种分能够是同种，也能够是异种分子子。能量传递过程中不发生光吸取和电子传递。能量传递过程中不发生光吸取和电子传递。第第21页页第第21页页22能量传递过程能量改变能量传递过程能量改变 第第22页页第第22页页23光化学反应光化学反应 反应中心反应中心 反应中心是发生原初反应最小单反应中心是发生原初反应最小单位，它是由位，它是由反应中心色素分子反应中心色素分子、原初原初电子受体电子受体、次级电子受体与供体次级电子受体与供体等电等电子传递体，以及维持这些电子传递体子传递体，以及维持这些电子传递体微环境所必需微环境所必需蛋白质蛋白质等成份构成。等成份构成。原初电子受体原初电子受体是指直接接受反应是指直接接受反应中心色素分子传来电子电子传递体中心色素分子传来电子电子传递体 反应中心色素分子是光化学反应反应中心色素分子是光化学反应中最先向原初电子受体供应电子，因中最先向原初电子受体供应电子，因此反应中心色素分子又称此反应中心色素分子又称原初电子供原初电子供体体。第第23页页第第23页页24第第24页页第第24页页25原初反应原初反应光化学反应光化学反应原原初初反反应应光光化化学学反反应应实实际际就就是是由由光光引引起起反反应应中中心心色色素素分分子子与与原原初初电电子受体间氧化还原反应子受体间氧化还原反应，可用下式表示光化学反应过程：，可用下式表示光化学反应过程：PA P*A P+A基态反应中心基态反应中心 激发态反应中心激发态反应中心 电荷分离反应中心电荷分离反应中心反应中心出现了电荷分离反应中心出现了电荷分离(P+)(A-)，到这里原初反应也就完毕了。，到这里原初反应也就完毕了。原原初初电电子子供供体体失失去去电电子子，有有了了“空空穴穴”，成成为为“陷陷阱阱”，便便可可从从次次级级电电子子供供体体那那里里争争夺夺电电子子；而而原原初初电电子子受受体体得得到到电电子子，使使电电位位值值升升高高，供供电电子子能能力力增增强强，可可将将电电子子传传给给次次级级电电子子受受体体。供供电电子子给给P+还还原原剂剂叫叫做做次次级级电电子子供供体体(D)，从从A接接受受电电子子氧氧化化剂剂叫叫做做次次级级电电子子受受体体(A1)，那那么么电荷分离后反应中心更新反应式可写为：电荷分离后反应中心更新反应式可写为：DP+AA1 D+PAA1 这这一一过过程程在在光光合合作作用用中中不不断断重重复复地地进进行行，从从而而推推动动电电子子在在电电子子传传递递体中传递。体中传递。hv第第25页页第第25页页26PS和和PS光化学反光化学反应次级次级电子供体电子供体反应中心色素分子反应中心色素分子（原初电子供体）（原初电子供体）原初原初电子受体电子受体次级次级电子受体电子受体PSPSPCP700叶绿素分叶绿素分子子(A0)铁硫中心铁硫中心 PSPSYZP680去镁叶绿去镁叶绿素分子素分子(Pheo)醌分子醌分子(QA)第第26页页第第26页页272.1.2 电子与质子传递电子与质子传递第第27页页第第27页页28第第28页页第第28页页29光系统光系统（Photosystem ，PS）PS是是含含有有多多亚亚基基蛋蛋白白复复合合体体。它它由由聚聚光光色色素素复复合合体体、中中心心天天线线、反应中心反应中心、放氧复合体放氧复合体、细胞色素细胞色素和和各种辅助因子各种辅助因子构成。构成。PSIIPSII反应中心结构模式图反应中心结构模式图反应中心结构模式图反应中心结构模式图 示意示意PSII反应中心反应中心D1蛋白和蛋白和D2蛋蛋白结构。白结构。电子从电子从P680传递到去镁叶绿素传递到去镁叶绿素（Pheo）继而传递到两个质体醌）继而传递到两个质体醌QA和和QB。P680+在在“Z”传递链中被传递链中被D1亚基亚基中中酪氨酸残基酪氨酸残基还原。还原。Mn汇集体汇集体(MSP)对水氧化。对水氧化。CP43和和CP47是叶绿素结合蛋白。是叶绿素结合蛋白。第第29页页第第29页页30PS反反应应中中心心关关键键部部分分是是分分子子量量分别为分别为32 000和和34 000D1和和D2两条多肽。两条多肽。反反应应中中心心次次级级电电子子供供体体Z、中中心心色色素素P680、原原初初电电子子受受体体Pheo、次次级级电电子子受受体体QA、QB等等都都结结合合在在D1和和D2上上。其其中中与与D1结结合合质质体体醌醌定定名名为为QB，与与D2结结合合质质体体醌醌定定名名为为QA。这这里里Q，醌醌(Quinone)字首。字首。构构成成中中心心天天线线CP47和和CP43是是指指分分子子量量分分别别为为47 000、43 000并并与与叶叶绿绿素素结结合合聚聚光光色色素素蛋蛋白白复复合合体体，它它们们围围绕绕P680，比比LHC更更快快地地把把吸吸取取光光能能传传至至PS反反应中心，因此被称为中心天线或应中心，因此被称为中心天线或“近侧天线近侧天线”。第第30页页第第30页页31醌电子传递醌电子传递QA是是单单电电子子体体传传递递体体，每每次次反反应应只只接接受受一一个个电电子子生生成成半半醌醌，它它电电子子再再传传递递至至QB，QB是是双双电电子子传传递递体体，QB可可两两次次从从QA接接受受电电子子以以及及从从周周围围介介质质中中接接受受2个个H+而而还还原原成成氢氢醌醌(QH2)。这这样样生生成成氢醌能够与醌库氢醌能够与醌库PQ互换，生成互换，生成PQH2。第第31页页第第31页页32水裂解与氧生成水裂解与氧生成放氧复合体放氧复合体(OEC)又称锰聚合又称锰聚合体体(M,MSP)，在，在PS靠近类囊体腔靠近类囊体腔一侧，参与水裂解和氧释放。一侧，参与水裂解和氧释放。每释放每释放1个个O需要从需要从2个个H2O中中移去移去 4 个个 e-，同时形成，同时形成 4 个个 H。PSPS生理功效是吸取光能，进行光化学反应，产生生理功效是吸取光能，进行光化学反应，产生强氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中电子传至强氧化剂，使水裂解释放氧气，并把水中电子传至质体醌。质体醌。第第32页页第第32页页33质体醌质体醌质醌质醌(PQ)(PQ)也叫质体醌，是也叫质体醌，是PSPS反应中心反应中心末端电子受体，也是介于末端电子受体，也是介于PSPS复合体与复合体与Cyt Cyt b b/f/f复合体间电子传递体。复合体间电子传递体。质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分质体醌在膜中含量很高，约为叶绿素分子数子数5%5%10%10%，故有，故有“PQPQ库库”之称。之称。质质体体醌醌是是双双电电子子、双双质质子子传传递递体体，氧氧化化态态质质体体醌醌可可在在膜膜外外侧侧接接受受由由PS(PS(也也可可是是PS)PS)传传来来电电子子，同同时时与与H H结结合合；还还原原态态质质体体醌醌在在膜膜内内侧侧把把电电子子传传给给Cyt Cyt b b/f/f，氧氧化化时时把把H H释释放放至至膜膜腔腔。这这对对类类囊囊体体膜膜内内外外建建立立质质子梯度起着主要作用。子梯度起着主要作用。第第33页页第第33页页34细胞色素细胞色素b6/f复合体复合体Cyt b6/f 复合体主要催化复合体主要催化PQH氧化和氧化和PC还原，并把质子还原，并把质子从类囊体膜外间质中跨膜转移到从类囊体膜外间质中跨膜转移到膜内腔中。因此膜内腔中。因此Cyt b/f 复合体复合体又称又称PQHPC氧还酶氧还酶。CytbCytb/f/f 复合体作为连接复合体作为连接PSPS与与PSPS两个光系统中间电子载体系统，两个光系统中间电子载体系统，是一个多亚基膜蛋白，由是一个多亚基膜蛋白，由4 4个多肽构成，即个多肽构成，即CytfCytf、Cytb Cytb、Rieske Rieske 铁铁-硫蛋硫蛋白、白、17kD17kD多肽多肽等。等。第第34页页第第34页页35质体蓝素质体蓝素质蓝素质蓝素(PC)(PC)是位于类囊体膜内侧表面含铜蛋白质，氧化时呈蓝色。是位于类囊体膜内侧表面含铜蛋白质，氧化时呈蓝色。它是介于它是介于Cyt bCyt b/f/f复合体与复合体与PSPS之间电子传递组员。通过蛋白质中铜离之间电子传递组员。通过蛋白质中铜离子氧化还原改变来传递电子。子氧化还原改变来传递电子。PCPC在类囊体腔内移动。在类囊体腔内移动。第第35页页第第35页页36光系统光系统（PS）PS由反应中心和由反应中心和LHC等构成。反应中心内等构成。反应中心内含有含有1112个多肽，其中在个多肽，其中在A和和B两个多肽上结合着两个多肽上结合着P700及及A0、A1、FX、FA、FB等电子传递体。每一个等电子传递体。每一个PS复合体中含有两个复合体中含有两个LHC，LHC吸取光能能吸取光能能传给传给PS反应中心。反应中心。第第36页页第第36页页37PS电子传递电子传递p两个主要蛋白质亚基两个主要蛋白质亚基psaA和和psaB分布情况。分布情况。p电子从电子从P700传递到叶绿素分子传递到叶绿素分子A0，然后到电子受体，然后到电子受体A1。p电子传递穿过一系列被命名为电子传递穿过一系列被命名为FX，FA，FBFe-S中心，最后到达可溶中心，最后到达可溶性铁硫蛋白（性铁硫蛋白（Fdx）。）。pP700+从还原态质蓝素（从还原态质蓝素（PC）中接）中接受电子。受电子。ppsaF，psaD和和psaE 几种几种PSI亚基亚基参与可溶性电子传递底物与参与可溶性电子传递底物与PSI复合复合体结合。体结合。第第37页页第第37页页38铁氧化还原蛋白铁氧化还原蛋白铁氧还蛋白铁氧还蛋白(Fd)和铁氧还蛋白和铁氧还蛋白-NADP还原酶还原酶(FNR)都是存在类囊都是存在类囊体膜表面蛋白质。体膜表面蛋白质。FNR中含中含1分子黄素腺嘌呤二核苷酸分子黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)，依托核黄素氧化还本，依托核黄素氧化还本来传递来传递H+。因其与。因其与Fd结合在一起，因此称结合在一起，因此称Fd-NADP还原酶。还原酶。FNR是是光合电子传递链末端氧化酶，接受光合电子传递链末端氧化酶，接受Fd传来电子和基质中传来电子和基质中H，还原，还原NADP为为NADPH，反应式可用下式表示：，反应式可用下式表示：2Fd还原还原+NADP+H FNR 2Fd氧化氧化+NADPH第第38页页第第38页页39光反应电子与质子传递光反应电子与质子传递光合磷酸化光合磷酸化第第39页页第第39页页40图中经非环式电子传递路径传递图中经非环式电子传递路径传递4 4个个e e-产生产生2 2个个NADPHNADPH和和3 3个个ATPATP是依据光合作是依据光合作用总方程式推算出。在光反应中吸取用总方程式推算出。在光反应中吸取8 8个光量子个光量子(PS(PS与与PSPS各吸取各吸取4 4个个)，传递，传递4 4个个e e能分解能分解2 2个个H H2 2O O，释放放1 1 个个O O2 2，同时使类囊体膜腔增长，同时使类囊体膜腔增长8 8个个H H，又由于吸取，又由于吸取8 8个个光量子能同化光量子能同化1 1个个COCO2 2，而在暗反应中同化，而在暗反应中同化1 1个个COCO2 2需消耗需消耗3 3个个ATPATP和和2 2个个NADPHNADPH，也即，也即传递4 4个个e e-，可还原可还原2 2个个NADPHNADPH，经，经ATPATP酶流出酶流出8 8个个H H+要合成要合成3 3个个ATPATP。第第40页页第第40页页41电子传递过程能态改变电子传递过程能态改变第第41页页第第41页页42电子传递类型电子传递类型依据电子传递到依据电子传递到FdFd后去向，将光合电子传递分为三种类型：后去向，将光合电子传递分为三种类型：非环式、非环式、环式和假环式。环式和假环式。非环式非环式第第42页页第第42页页43环式环式环式电子传递不发生环式电子传递不发生H H2 2O O氧化，也不形成氧化，也不形成NADPHNADPH，但有但有H H+跨膜运送，可产生跨膜运送，可产生ATPATP，每传递一个电子需要，每传递一个电子需要吸取一个光量子。吸取一个光量子。环式电子传递多存在环式电子传递多存在于无于无PSPS生物中。生物中。第第43页页第第43页页44假环式假环式第第44页页第第44页页45光反应总结光反应总结如何进行光裂解产氢反应？如何进行光裂解产氢反应？第第45页页第第45页页