微生物电解池自供能技术突破：可持续氢能生产的新范式

本研究针对微生物电解池(MEC)技术对外部电源依赖的关键瓶颈，系统综述了通过电压优化控制及可再生能源整合实现自供能H2 生产的最新进展。研究揭示了光伏-MEC耦合系统的能量转化效率可达8.3%，阐明了MEC与微生物燃料电池(MFC)协同的电子转移机制，为开发零碳氢能技术提供了理论支撑与实践路径。

　　

随着全球能源结构转型加速，氢能作为零碳能源载体的战略地位日益凸显。然而传统电解水制氢存在高能耗（4.5–50.6 kWh/m³
-H₂
）的致命缺陷，而微生物电解池(Microbial Electrolysis Cells, MEC)技术凭借其仅需0.2–0.8 V外加电压的优势，成为可持续制氢领域的新星。这项发表在《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，由Quang Huy Hoang Phan团队领衔，首次系统梳理了MEC自供能技术的最新突破。

研究团队通过文献计量学分析发现，尽管MEC理论氢产率可达12 mol-H₂
/mol-葡萄糖，但实际应用中仍面临三大挑战：甲烷菌竞争导致的H₂
损耗、复杂有机物转化效率低、以及最关键的外部供电需求（占系统总能耗94%）。为此，研究者创新性地提出"双轨解决方案"——既优化电压控制策略降低能耗，又开发可再生能源耦合系统实现能量自给。

关键技术路线包含：1）采用脉冲电压调控提升电子转移效率；2）构建光伏-MEC混合系统实现太阳能直接转化；3）开发MFC-MEC级联装置利用废水化学能；4）应用非贵金属催化剂（如NiMo阴极）降低成本。研究特别关注了来自酿酒厂、市政污水等实际废水的规模化处理数据。

【Fundamentals of microbial electrolysis cell】
研究阐明了MEC的核心工作机制：电活性微生物(Electroactive Microorganisms, EAM)在阳极氧化有机物释放电子，通过外电路传递至阴极与H⁺
结合生成H₂
。理论计算表明，以乙酸为底物时最小需求电压仅0.114 V，但实际运行需0.2–0.8 V以克服电极过电位。

【Applied voltage】
创新性电压控制策略展现出显著优势：动态调压系统使能耗降低37%，而脉冲供电模式可将H₂
产率提升2.1倍。研究特别指出，0.6 V是最佳平衡点，既能维持较高电流密度(8.5 A/m²
)，又避免甲烷菌过度增殖。

【Self-sustainable MEC systems】
可再生能源整合取得突破性进展：
• 光伏-MEC系统实现8.3%的太阳能转化效率
• MFC-MEC级联装置使废水处理能耗降低89%
• 热电-MEC系统利用工业废热，能量回收率达19%
值得注意的是，1000 L规模试验显示，太阳能驱动系统的H₂
纯度可达99.2%，但产率仍比实验室规模低68%。

【Future perspectives】
研究预测未来五年需突破三大技术瓶颈：1）开发耐生物污损的Janus型离子交换膜；2）优化多电极阵列降低内阻；3）建立智能能量管理系统。作者特别强调，需将生物强化策略与机器学习结合，实现复杂废水的高效转化。

这项研究为绿色氢能生产提供了革命性思路：通过将MEC与可再生能源深度耦合，不仅实现"负碳制氢"，还开创了废水处理-能源回收的新模式。尽管目前大型化仍存在挑战（1000 L系统成本达3.5 USD/kg-H₂
），但随着非贵金属催化剂和模块化设计的进步，该技术有望在2030年前实现商业化应用。研究最后呼吁建立跨学科创新联盟，加速推动这项可能改变全球能源格局的技术落地。