提升微生物电合成性能：集成气体扩散阴极与蒸汽供给阳极膜系统的新策略

《Environmental Research》：Boosting Microbial Electrosynthesis: Integrating Gas Diffusion Cathodes with Vapor-Fed Anode-Membrane Systems

本文提出了一种集成气体扩散电极（GDE）阴极与蒸汽供给阳极膜组件的三室微生物电合成（MES）反应器新构型，有效解决了CO2在液相中溶解度低及长期运行中pH失衡两大瓶颈。研究表明，该设计显著提高了电流密度和乙酸产率，并维持了微生物催化剂的稳定性，为优化CO2生物转化过程提供了创新性反应器设计框架。

　　

章节亮点

气体扩散电极（GDE）和阳极-膜组件的制备

用作阴极的GDE（总面积7.1 cm²，投影面积3.1 cm²）是通过改进先前描述的步骤制备的。气体扩散层（GDL）包含炭黑（25 mg/cm²；Vulcan XC-72）和60%聚四氟乙烯（PTFE；37.5 mg/cm²）。加入3.5毫升乙醇后，将混合物在80°C的超声波清洗机水浴中搅拌最多5分钟，直至形成浆糊状。随后，将浆料均匀涂覆在 stainless steel mesh (Type 304, 100 mesh) 上，并在80°C的烘箱中干燥1小时。接着，在340°C下烧结30分钟以形成稳定的疏水GDL。催化剂层（CL）是通过将炭黑（15 mg/cm²）和Nafion溶液（12 μL/cm²；5 wt%，Sigma Aldrich）的混合物涂覆在预制的GDL上制备的，然后在80°C下干燥1小时。最终得到的GDE在使用前在室温下储存。

阳极-膜组件是按照我们之前的研究中描述的方法组装的（Baek et al., 2022）。简而言之，将碳毡（厚度：0.6 cm；面积：7.1 cm²）作为阳极，并使用阴离子交换膜（AEM，Fumasep FAA-3-PK-130，Fumatech）将阳极室与阴极室隔开。为了构建蒸汽供给阳极，将一块薄棉布（面积：7.1 cm²）浸满去离子水，并紧贴在面向AEM的阳极侧。这种设置旨在通过水蒸发和随后的冷凝来促进质子（H⁺）的传递，从而帮助稳定阴极室的pH值。

GDE的特性及MES反应器的电流产生

制备的GDE的SEM图像证实，水侧表面为生物膜的形成提供了有利条件（图1）。聚合物和炭黑稳定地粘结在 mesh 上，并在整个层上形成了均匀的多孔区域，这种结构特性可能在促进CO₂从GDL到CL的有效传输方面发挥关键作用。此外，与传统的碳基电极相比，CL的表面呈现出独特的结构形态，具有更高的粗糙度和孔隙率，这被认为有利于微生物的附着和电化学活性。

在MES运行期间，与传统的向阴极液直接鼓入CO₂气体的非GDE阶段相比，采用GDE阴极的阶段实现了显著更高的电流密度。在GDE阶段观察到的最大电流密度增加了1.35倍，这表明向阴极生物膜的电子传递效率更高。电流密度的增加与乙酸生产率的提高相关，这突出了改进的CO₂传输和生物膜活性的积极影响。

结论

本研究提出了一种新设计的MES反应器，该反应器集成了基于GDE的生物阴极和蒸汽供给的阳极-膜组件，作为解决MES基本局限性（即运行过程中低效的CO₂质量传递和pH失衡）的一种新方法。在GDE阶段，与传统的CO₂鼓泡阶段（非GDE配置）相比，该系统实现了最大电流密度1.35倍的增加和乙酸生产率1.8倍的提高（122.7 ± 13.4 mmol/m²·d）。结构表征证实，疏水性的GDL有效防止了电解液淹没，而亲水性的CL促进了微生物附着和电化学活性，并增强了向生物膜的CO₂输送。微生物群落分析表明，包括 Malaciobacter、Trichlorobacter 和 Oryzomicrobium 在内的电活性菌属在活性生物膜中占主导地位，这表明存在强大的种间电子传递和指向乙酸生产的碳通量。蒸汽供给阳极的使用也有助于在整个实验期间保持pH稳定性，这对于维持微生物活性和反应器性能至关重要。这些发现为通过战略性反应器设计优化MES系统中的气-液质量传递、电子传递效率和生物催化剂稳定性提供了有价值的见解。