生物相容条件下单室电化学还原CO2 产甲酸盐的效能评估与系统优化

本研究针对电化学CO2 还原反应(eCO2 RR)中双室系统能耗高、膜组件复杂的问题，创新性评估单室(SC)系统在生物相容条件下的性能。通过多尺度实验对比发现，SC系统虽使甲酸盐产率降低14%、法拉第效率(FE)下降15%，但能简化流程并降低能耗，为电化学-微生物耦合系统提供新思路。

　　

随着全球碳中和目标的推进，将二氧化碳转化为高附加值化学品成为研究热点。电化学CO₂
还原反应(eCO₂
RR)因其反应条件温和、可控性强等优势备受关注，其中甲酸盐作为重要的C1平台化合物，在制药、饲料保存和燃料电池等领域具有广泛应用。然而传统双室(DC)电解系统依赖离子交换膜分隔阴阳极，不仅增加系统复杂性和能耗，更成为与下游微生物催化过程整合的主要障碍。

针对这一技术瓶颈，来自德国亥姆霍兹环境研究中心(UFZ)和西班牙巴塞罗那自治大学(UAB)的联合团队在《Journal of CO2 Utilization》发表重要研究成果。研究团队系统比较了单室(SC)与DC系统在生物相容条件下的性能差异，发现SC系统虽存在产物交叉反应风险，但通过优化操作参数仍可获得与DC系统相当的甲酸盐产率。这一发现为简化电化学-生物耦合系统设计提供了关键实验依据。

研究采用三电极体系，在50mL至1L不同规模反应器中，以电沉积铟(In)的石墨棒为工作电极，通过计时电流法测定甲酸盐产率。关键技术创新包括：多尺度反应器性能对比、电位梯度实验(-1.6V至-2.2V vs Ag/AgCl)、两种灭菌方法(蒸汽与化学灭菌)评估，以及pH值(4.5-6.5)对反应选择性的影响分析。

3.1. 双室与单室电化学池性能比较
在50mL规模下，SC系统甲酸盐产率为146 mg·L^-1
·h^-1
，较DC系统(170 mg·L^-1
·h^-1
)降低14%；FE值从DC的84.7%降至SC的72.2%。但24小时SC实验仍能产生1.8 g·L^-1
甲酸盐，满足发酵工艺需求。

3.2. 不同规模单室系统性能
放大至1L规模后，SC系统的电流密度和甲酸盐产率分别降低30%和26%，但FE保持稳定。值得注意的是，FE与甲酸盐浓度呈显著负相关(R2=0.991)，表明产物积累会导致氧化副反应增加。

3.3. 工作电位影响
在250mL SC系统中，-1.6V电位下FE高达99%，但产率仅为-2.2V时的52%。这种"高效低产"与"高产低效"的权衡关系为工艺优化提供调控维度。

3.4. 灭菌与pH中性条件
蒸汽灭菌使FE降低28%，化学灭菌降低22%。pH实验显示，酸性条件(pH4.5)下FE较中性条件(pH6.5)下降58%，证实HER(氢析出反应)竞争是效率损失主因。

这项研究首次证实：在生物相容条件下，无膜SC系统可实现与DC系统相当的eCO₂
RR性能。通过电位调控(-1.6V至-2.2V)可在FE(72-99%)与产率(0.015-0.074 mmol·cm^-2
·h^-1
)之间灵活权衡。特别值得注意的是，化学灭菌法因其操作简便性，比传统蒸汽灭菌更适合电化学-生物耦合系统。

该研究的突破性在于：为简化电化学-微生物集成系统提供了实验基础，使反应器设计摆脱了对离子交换膜的依赖。未来通过开发3D电极或气体扩散电极(GDE)，有望进一步提升SC系统的空间产率。这项成果对推动CO₂
资源化利用从实验室走向工业化具有重要指导意义，特别是为"电催化-发酵"联产高值化学品的新型生物制造模式铺平了道路。