生物质能作为国际公认的零碳可再生能源，具有绿色、低碳、清洁等特点。全球拥有丰富的生物质资源，在绿氢绿碳生产、生物基新材料开发、碳减排交易等方面潜力巨大。厌氧消化(AD)是生物质的重要转化技术，其利用微生物将有机质转化为生物气（CO2和CH4）。但AD仍然存在效率低、反应过程不稳定等缺点，通过添加碳材料能有效解决这些问题。中国石油大学（北京）电氢化工团队李叶青组一直致力于生物质高效厌氧消化及生物气高值化（绿氢、绿色甲烷、绿醇等）研究，近年来在碳材料（生物炭、碳量子点等）促进厌氧消化方向取得了系列进展。
2018年，我们研究发现餐厨水热炭（生物炭的一种）能促进厌氧消化(Bioresource Technology, 2018, 267, 9-16)，进一步发现水热炭和乙炔黑能促进醋渣厌氧消化产甲烷(Waste and Biomass Valorization, 2020, 11, 3315-3325)；2022年，我们揭示了生物炭（水热炭、热解炭）促进厌氧消化机制，发现生物炭表面芳香官能团及多分散特性是重要影响因素(Bioresource Technology, 344, 126353)，进一步通过相关性分析、主成分分析和机器学习发现生物炭的给电子能力(EDC)和电导率(EC)是影响厌氧消化累积产甲烷量的主要因素(Journal of Cleaner Production, 2022, 362, 132296)，并全面阐述了温度对厌氧消化微生物生态系统影响(Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, 160, 112261)；2021年，我们首次发现碳量子点(CQD)能够通过促进电子传递而提高厌氧消化产甲烷效率(Journal of Hazardous Materials, 2021, 410, 124886)。
近日，我们研究发现不同来源腐植酸(HA)对厌氧消化产生不同程度抑制。尽管HA可以作为AD系统中的电子穿梭体，促进大分子底物降解为小分子，但也会与产甲烷菌竞争电子。此外，研究表明，HA的活性官能团（羧酸、酚和醌官能团）能够与微生物关键酶的活性位点结合，使酶失活从而抑制转化效率。研究表明，具有更多羧基的HA在抑制AD方面表现出更大的潜力。该项研究为HA对AD的作用机制提供了有价值的见解，并为未来缓解HA抑制提高AD效率的研究提供了指导。相关成果以“From feedstock to digestion: Unraveling the impact of humic acid composition on anaerobic digestion”为题，于2023年10月在国际知名学术期刊Science of The Total Environment上发表。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166495
基于对于碳量子点(CQD)和腐植酸(HA)的认识，本团队提出利用碳量子点屏蔽腐植酸并促进厌氧消化，研究结果阐明了CQD与HA之间的相互作用机制，为原位缓解HA抑制提供了一种新的方法，指导其在生物能源生产中的应用。相关成果以“Carbon quantum dots in-situ relieve humic acids inhibition on methanogens while significantly increasing the abundance of Methanosarcinaceae”为题，于2023年7月在国际知名学术期刊Journal of Cleaner Production上发表。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138258
通过对碳量子点(CQD)光电特性的深入了解，我们探究利用N掺杂碳量子点(NCQD)在光照环境下提高厌氧消化系统甲烷产量。研究通过构建以可见光LED灯为光源的光厌氧消化系统，并首次探索了NCQD对该系统的作用效果与机理。相关成果以“N-doped carbon quantum dots enhance anaerobic digestion under light condition: The performances and potential mechanisms”为题，于2023年9月在国际知名学术期刊Chemical Engineering Journal上发表。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146359
中国石油大学（北京）电氢化工科研团队成立于2007年，依托重质油国家重点实验室、生物燃气高值利用北京市重点实验室、生物能源北京高等学校工程研究中心、生物天然气北京市国际科技合作基地、碳中和联合研究院、垦利绿碳创新研究院、濮阳联合研究院等国家级和省部级科研创新平台开展科学研究和人才培养。团队由徐春明院士领衔、周红军教授为学术带头，利用氢与绿电使钢铁、炼化及合成氨等工业脱碳研究优势突出，主要在新能源、新材料、绿碳与环保、光催化、电化工等领域开展低碳技术开发。
