利用双金属颗粒活性炭阴极，通过微生物电合成方法从二氧化碳制备乙酸

《Bioelectrochemistry》：Microbial electrosynthesis of acetic acid from carbon dioxide using a bimetallic-granular activated carbon cathode

双金属镍铁负载活性炭阴极在微生物电合成中显著提升乙酸产量，通过XRD和SEM证实金属沉积增强电子传递及生物膜形成，酸洗再生后性能恢复，适用于规模化应用。

　　微生物电合成（Microbial Electrosynthesis, MES）是一种利用微生物将二氧化碳转化为有用化学品的可持续技术。这项技术在应对全球变暖和气候变化方面展现出巨大潜力，因为它能够有效地捕获并利用温室气体，同时生成有价值的产物。为了实现MES的规模化应用，开发高效、稳定、生物相容且经济的阴极材料是关键所在。最近，双金属阴极因其广泛的应用前景而受到越来越多的关注，其中镍和铁的组合因其独特的性能优势而成为研究热点。

本研究中，科研人员设计并制备了一种新型的双金属阴极——镍铁浸渍颗粒活性炭（Ni-Fe-GAC），并将其应用于MES过程。这种阴极的制备过程采用了简便的方法，即通过将颗粒活性炭（Granular Activated Carbon, GAC）浸渍在镍氯化物和铁硫酸盐的混合溶液中，实现了金属在活性炭表面的均匀沉积。这种方法不仅提高了阴极的导电性，还增强了其与微生物之间的相互作用，从而促进了生物膜的形成，提升了电子传递效率。

GAC作为一种常见的碳基材料，因其多孔结构、高比表面积、低成本以及化学稳定性而受到青睐。然而，GAC在长期使用过程中容易出现机械结构不稳定的问题，这限制了其在MES中的应用。为了克服这一问题，研究者尝试通过金属盐的浸渍来改善GAC的性能。在之前的研究中，单金属浸渍的GAC阴极已被用于MES，并在提高乙酸产量方面取得了一定的成效。例如，铁氧化物修饰的GAC、镍浸渍的GAC以及铜浸渍的GAC均显示出比未修饰的GAC更好的性能。然而，这些研究主要集中在单金属的修饰上，而双金属浸渍的GAC阴极尚未有系统的探索。

在本研究中，科研团队首次将双金属盐（镍和铁）浸渍到GAC上，构建了Ni-Fe-GAC阴极，并将其应用于MES过程。他们采用不同的金属比例（1:2、2:1、1:1）进行实验，其中铁的含量保持不变，镍的含量则被调整。通过这种方式，研究人员能够评估不同金属比例对MES性能的影响。实验结果表明，Ni-Fe-GAC阴极的乙酸产量比未浸渍的GAC阴极高出1.4倍，这一显著提升主要归因于金属的协同效应。镍和铁的组合不仅提高了阴极的导电性，还增强了其表面的还原活性，从而促进了微生物对二氧化碳的还原过程。

此外，研究团队还通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）对Ni-Fe-GAC阴极的表面形貌进行了分析。SEM图像显示，微生物在Ni-Fe-GAC阴极表面形成了更为紧密和均匀的生物膜，这表明金属的浸渍改善了微生物与阴极之间的附着能力。这种附着能力的提升对于提高MES的效率至关重要，因为生物膜的形成能够增强微生物与阴极之间的电子传递，从而提高反应速率和产物产量。

为了进一步验证Ni-Fe-GAC阴极的性能，研究人员还进行了电化学分析，包括线性扫描伏安法（Linear Sweep Voltammetry, LSV）。LSV测试结果显示，Ni-Fe-GAC阴极的电化学性能优于未浸渍的GAC阴极。这表明，金属的浸渍不仅提高了阴极的导电性，还优化了其在电化学反应中的表现。通过这些测试，研究团队能够更全面地评估Ni-Fe-GAC阴极在MES中的应用潜力。

考虑到MES技术的长期应用需求，研究团队还对Ni-Fe-GAC阴极进行了再生测试。通过酸洗的方式，他们能够去除阴极表面的金属，随后再次进行金属盐的浸渍，以恢复其催化活性。实验结果显示，这种再生方法能够有效恢复阴极的性能，使其能够重复使用，从而降低了材料的更换频率和成本。这一发现对于实现MES技术的可持续发展具有重要意义，因为再生能力能够显著提高阴极的使用寿命，减少资源浪费。

在MES过程中，电子的传递方式对反应效率有着直接的影响。通常，电子可以通过直接或间接的途径传递，其中间接传递需要借助电子穿梭剂。然而，Ni-Fe-GAC阴极的高导电性和良好的生物相容性使得电子可以直接传递到微生物，从而提高了反应的效率。这种直接的电子传递机制不仅减少了能量损耗，还促进了微生物的代谢活动，使其能够更有效地将二氧化碳还原为乙酸等产物。

研究团队还对MES-1反应器（Ni/Fe比例为2:1）进行了详细分析，发现其在单位体积内的乙酸产量达到0.16±0.08克/升·天，比对照组的产量高出2.1倍。这一结果充分证明了双金属浸渍对MES性能的显著提升。此外，研究团队还评估了该技术在大规模应用中的可行性，考虑了其电荷效率和经济性。这些分析为未来MES技术的工业化应用提供了重要的理论依据和技术支持。

从科学角度来看，双金属系统的协同效应是提升MES性能的关键因素之一。镍和铁的组合能够提供更广泛的电子传递途径，并增强阴极表面的还原能力。这种协同效应不仅体现在电子传递的效率上，还表现在微生物的活性和生物膜的稳定性上。通过优化金属比例，研究人员能够进一步提高MES的反应速率和产物产量，从而推动该技术向实际应用迈进。

在实际应用中，MES技术的挑战不仅在于阴极材料的选择，还包括反应条件的优化和系统的长期运行稳定性。Ni-Fe-GAC阴极的再生能力为其在实际应用中提供了额外的优势。通过简单的酸洗和重新浸渍，阴极能够恢复其原始性能，这不仅降低了维护成本，还提高了系统的可持续性。此外，Ni-Fe-GAC阴极的低成本特性也使其在大规模应用中更具经济可行性。

从生态角度来看，MES技术能够有效减少二氧化碳的排放，同时生产出有价值的化学品，如乙酸。这不仅有助于缓解温室效应，还为工业生产提供了新的可持续途径。Ni-Fe-GAC阴极的开发和应用，为这一过程提供了更加高效和环保的解决方案。通过提升乙酸产量，该技术能够更好地满足工业需求，同时减少对传统化石燃料的依赖。

在实验过程中，研究团队采用了多种分析手段，包括电化学测试、SEM显微镜观察以及再生测试，以全面评估Ni-Fe-GAC阴极的性能。这些测试不仅验证了阴极的导电性和生物相容性，还揭示了其在长期运行中的稳定性和可再生性。通过这些研究，科研人员能够更好地理解Ni-Fe-GAC阴极在MES中的作用机制，为未来的技术改进提供方向。

总的来说，这项研究为MES技术的发展提供了新的思路和方法。Ni-Fe-GAC阴极的开发不仅提高了乙酸产量，还增强了系统的稳定性和经济性。通过双金属的协同效应，研究人员成功克服了GAC在导电性和机械稳定性方面的不足，使其成为MES应用中的一种理想材料。未来，随着技术的进一步优化和规模化应用，Ni-Fe-GAC阴极有望在碳捕获和利用领域发挥更大的作用，为应对气候变化和实现可持续发展提供有力支持。