生物質能作為國際公認的零碳可再生能源，具有綠色、低碳、清潔等特點。全球擁有豐富的生物質資源，在綠氫綠碳生產、生物基新材料開發、碳減排交易等方面潛力巨大。厭氧消化(AD)是生物質的重要轉化技術，其利用微生物將有機質轉化為生物氣（CO2和CH4）。但AD仍然存在效率低、反應過程不穩定等缺點，通過添加碳材料能有效解決這些問題。中國石油大學（北京）電氫化工團隊李葉青組一直致力于生物質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）促進厭氧消化方向取得了系列進展。
2018年，我們研究發現餐廚水熱炭（生物炭的一種）能促進厭氧消化(Bioresource Technology, 2018, 267, 9-16)，進一步發現水熱炭和乙炔黑能促進醋渣厭氧消化產甲烷(Waste and Biomass Valorization, 2020, 11, 3315-3325)；2022年，我們揭示了生物炭（水熱炭、熱解炭）促進厭氧消化機制，發現生物炭表面芳香官能團及多分散特性是重要影響因素(Bioresource Technology, 344, 126353)，進一步通過相關性分析、主成分分析和機器學習發現生物炭的給電子能力(EDC)和電導率(EC)是影響厭氧消化累積產甲烷量的主要因素(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系統影響(Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, 160, 112261)；2021年，我們首次發現碳量子點(CQD)能夠通過促進電子傳遞而提高厭氧消化產甲烷效率(Journal of Hazardous Materials, 2021, 410, 124886)。
近日，我們研究發現不同來源腐植酸(HA)對厭氧消化產生不同程度抑制。盡管HA可以作為AD系統中的電子穿梭體，促進大分子底物降解為小分子，但也會與產甲烷菌競爭電子。此外，研究表明，HA的活性官能團（羧酸、酚和醌官能團）能夠與微生物關鍵酶的活性位點結合，使酶失活從而抑制轉化效率。研究表明，具有更多羧基的HA在抑制AD方面表現出更大的潛力。該項研究為HA對AD的作用機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。相關成果以“From feedstock to digestion: Unraveling the impact of humic acid composition on anaerobic digestion”為題，于2023年10月在國際知名學術期刊Science of The Total Environment上發表。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)的認識，本團隊提出利用碳量子點屏蔽腐植酸并促進厭氧消化，研究結果闡明了CQD與HA之間的相互作用機制，為原位緩解HA抑制提供了一種新的方法，指導其在生物能源生產中的應用。相關成果以“Carbon quantum dots in-situ relieve humic acids inhibition on methanogens while significantly increasing the abundance of Methanosarcinaceae”為題，于2023年7月在國際知名學術期刊Journal of Cleaner Production上發表。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)在光照環境下提高厭氧消化系統甲烷產量。研究通過構建以可見光LED燈為光源的光厭氧消化系統，并首次探索了NCQD對該系統的作用效果與機理。相關成果以“N-doped carbon quantum dots enhance anaerobic digestion under light condition: The performances and potential mechanisms”為題，于2023年9月在國際知名學術期刊Chemical Engineering Journal上發表。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146359
中國石油大學（北京）電氫化工科研團隊成立于2007年，依托重質油國家重點實驗室、生物燃氣高值利用北京市重點實驗室、生物能源北京高等學校工程研究中心、生物天然氣北京市國際科技合作基地、碳中和聯合研究院、墾利綠碳創新研究院、濮陽聯合研究院等國家級和省部級科研創新平臺開展科學研究和人才培養。團隊由徐春明院士領銜、周紅軍教授為學術帶頭，利用氫與綠電使鋼鐵、煉化及合成氨等工業脫碳研究優勢突出，主要在新能源、新材料、綠碳與環保、光催化、電化工等領域開展低碳技術開發。
