Page 41 - 《精细化工》2022年第8期
P. 41

第 8 期                   王   黎，等:  微生物电合成捕获 CO 2 及高效催化转化研究进展                             ·1541·


            MES 系统。然而，这种平面二维电极仍有一些缺                            大多数涂覆在导电基底表面的材料显示出非常高的
            点，如低反应比表面积、低电催化活性、高内阻，                             CO 2 回收选择性和电化学系统中催化位点的高表面
            高活化过电位，在电极表面快速形成钝化层，从而限                            覆盖率，这些用于 CO 2 还原的电化学系统通常比
            制了其在 MES 系统中的应用。                                   MES 系统具有更低的法拉第效率             [30] 。沸石是一种微
            2.2   三维（3D）多孔材料                                   孔铝硅酸盐材料，是应用最广泛的吸附 CO 2 的分子
            2.2.1   大孔径电极                                      筛，其应用基本上与范德华力有关。即使在低压气
                 碳毡和碳纤维棒电极是 MES 系统的代表性三                        体下，沸石也具有可逆性、高 CO 2 吸收能力、选择
            维（3D）大孔径材料。这些电极的三维拓扑结构为                            性和热稳定性      [31] ，研究者已测试了沸石从 N 2 、CH 4
            生物质的生长提供了大的反应比表面积，并降低了                             高选择性和高效分离 CO 2 的能力             [32] ，温和的吸附
            传质限制。此外，具有三维大孔径结构的电极能进                             条件（293~338 K）    [33] 也证明在 MES 中 CO 2 的吸附
            一步灵活修饰，它们的催化反应位点可直接或间接                             和回收具有很大的应用潜力。
            地提高电子交换效率。例如：ARYAL 等                  [10] 研发了         MES 开发高效电极的传统思路主要集中在电
            一种 3D 石墨烯修饰的碳毡复合阴极，这种电极具                           极类型和结构上，忽略了发生在非生物-生物界面上
            有比未处理碳毡更快的电子转移速率和更高的比表                             的重要原理，如电极形貌和材料如何诱导微生物的
            面积，能够将 CO 2 电合成乙酸的速率提 6.8 倍。                       分子变化，以及阴极-细胞和细胞-细胞界面上发生
            JOURDIN 等   [22] 利用化学气相沉积方法开发了纳米                   的电子转移机制，而它们是所有相关产物形成的反
            网 RVC 阴极，结果表明，与未改性的碳板电极相                           应驱动力。因此，要合理设计更高效、更有效的 MES
            比，醋酸盐的产量提高了 33.3 倍。改性的纳米网                          阴极，需要深入了解阴极表面性质和材料对微生物
            RVC 具有高的比表面积，研究人员利用电沉积方法                           代谢的作用以及阴极电子转移的机理，目前，在微
            进一 步开发了 碳纳米管 修饰的 RVC 电极                            生物电化学系统领域，这一关键信息还有待深入研究。
            （EPD-3D），该系统具有丰富且稳定的产酸微生物                          3  MES 捕获 CO 2 生物制品
            群落，可高效合成乙酸           [23] 。他们使用相同的技术—
            —将多壁碳纳米管（MWCNTs）进一步修饰 RVC，                             MES 的产物主要为短链脂肪酸（SCFAs），随着
            0.6 mm 高度开放的大孔 RVC 产生了迄今为止最高                       技术的进步，由短链脂肪酸升级为中链脂肪酸
                        2
            的 1330 g/(m ·d)醋酸盐产量，在生物膜形成的高比                     （MCFAs）已引起广大的关注。研究表明，通过基
            表面积可用性和生物阴极与膜之间的高效传质之间                             因调控的手段或者调控系统的参数也能强化电活性
            实现了良好的平衡         [24] 。                            菌的 EET 速率，改变微生物代谢方式以延长碳链，
                 复合电极如活性炭 VITO-CoRE®电极和气体扩                     有望获得比传统有机废弃物厌氧发酵途经更高的能
            散电极（GDEs）也具有发展潜力              [25-26] 。多孔复合活       量效率。
            性炭气体扩散电极提供了理想的三相界面（气-液-                            3.1  C1 产物
            固），是由疏水气体扩散层、电流收集器和细菌合成                                在 MES 研究中，使用纯培养物或混合培养物观
            化学物质的催化剂层组成。与传统的气体喷射系统                             察到各种 C1 化学物质，例如甲烷、甲酸和甲醇。
            相比，这种 GDE 的使用使 MES 中 CO 2 向生物催化                    在这些 C1 化合物中，甲烷是生物电化学系统（BES）
            剂的转移得到了改进和控制，传质系数（k L a）是喷                         研究中报道最广泛的产物之一。产甲烷菌能够在外
            射系统的两倍。                                            部电源的帮助下通过直接或间接的电子转移途径在
            2.2.2   新型微孔电极                                     阴极催化合成甲烷，为了提高混合培养生物阴极中
                 金属有机骨架（MOFs）是近年来发展起来的一                        CO 2 转化产生 CH 4 的速率，YANG 等        [34] 引入了中性
            种新型微孔材料，具有永久性孔隙率和功能性连接                             红和蒽醌-2,6-二磺酸盐，增强微生物细胞外电子转
                                                               移和降低内阻，使生物阴极 CH 4 的生成速率分别比
            体。MOFs 的潜在应用包括气体储存和分离、CO 2
            催化转化等传统领域          [28] 。由于键角、连接体扭曲和               未改变的阴极高 5.8 倍和 3.5 倍。为了将 MES 从实
            团簇变形，MOFs 通常具有柔性框架，可进行表面                           验室规模转化为中试规模，ENZMAN 等               [35] 开发了一
            修饰或功能化，并且开放的金属位点，如 Mn、Fe、                          种基于类似海洋产甲烷球菌的 50 L 放大反应器，这
            Co 可用于 CO 2 吸附和催化。在 MES 中整合 MOFs                   是迄今为止报道的最大的纯培养生物电化学实验，
            用于微生物电化学 CCU 的一种实用方法是制造多                           实现了最高的甲烷总产量 11.7 mmol/d。此研究为生
            孔中空纤维膜阴极，在其内表面或外表面生长连续                             物电化学体系在未来的实际和大规模应用奠定了理
            稳定的 MOFs     [29] 。在多孔中空纤维膜阴极外层沉积                  论 基础和潜力 。此外，研 究者利用 Shewanella
            MOFs 膜吸附 CO 2 ，可以增加非生物与生物界面的                       oneidensis MR-1 全细胞生物催化剂和强大的电子转
            CO 2 浓度，从而提高细菌生长转化的 CO 2 利用率。                      移系统从 CO 2 合成甲酸       [36] ，含有甲醇脱氢酶、甲醛
   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46