Fe@NC杂化电极通过微环境调控提升微生物电化学系统中CO2 转化为乙酸盐的效率

针对微生物电化学系统(MES)中CO2 转化率低的问题，研究人员设计了一种Fe@NC杂化电极，通过调控电极-污泥界面微环境，将乙酸盐平均产量提升2.9倍，最高产率达3.7 g/(m2 h)。该电极兼具电催化析氢和高亲和力CO2 吸附能力，可选择性富集Acetobacterium(47.5%)并促进Wood-Ljungdahl途径的酶活性，为CO2 资源化提供了新策略。

　　

随着全球碳中和进程加速，如何高效转化CO₂
成为关键科学问题。微生物电化学系统(MES)能在温和条件下将CO₂
转化为乙酸盐等有价值化学品，但受限于阴极界面传质效率低、电子转移速率慢等问题，其产业化应用面临挑战。特别是H₂
溶解度低、CO₂
分散性差导致底物利用率不足，传统电极比表面积和导电性不足进一步制约了产率提升。

针对这些瓶颈，上海科学技术委员会资助的研究团队创新性地开发了Fe@NC杂化电极系统。该研究通过金属-微生物协同策略，将Fe-MOF衍生的氮掺杂碳材料(Fe@NC)与生物阴极整合，显著提升了CO₂
-乙酸盐转化效率。相关成果发表在《Bioresource Technology》上，为MES的工业化应用提供了重要参考。

研究采用FeCl₃
·6H₂
O和2-氨基对苯二甲酸水热合成Fe-MOF前驱体，经高温碳化获得Fe@NC催化剂。通过电化学阻抗谱(EIS)评估电荷转移阻力，气相色谱监测乙酸盐产量，高通量测序分析微生物群落，并结合酶活性检测揭示代谢通路调控机制。

Observation of acetate production from hybrid system
实验数据显示，Fe@NC杂化电极组的乙酸盐累积量在96小时达峰值104.0±3.2 g/m²
，是对照组的2.9倍，最高产率3.7 g/(m²
h)。这种提升归因于电极的双重功能：降低电荷转移阻力至41.3 Ω，同时通过Fe-N₄
活性位点增强CO₂
化学吸附能力。

Microbial community analysis
16S rRNA测序表明，Fe@NC电极界面特异性富集Acetobacterium至47.5%，远高于对照组(12.1%)。这种选择性富集与电极提供的持续H₂
供给和CO₂
富集微环境密切相关。

Enzymatic activity and metabolic pathway
Wood-Ljungdahl途径关键酶检测显示，Fe@NC组中CO脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶(CODH/ACS)活性提升2.1倍，甲酸脱氢酶(FDH)活性增加1.8倍，证实该电极能同步激活羰基分支和甲基分支代谢。

Conclusion
该研究通过构建Fe@NC杂化电极系统，实现了CO₂
转化微环境的精准调控。电极的独特结构不仅优化了析氢反应动力学，其高比表面积(812 m²
/g)和介孔结构(3.7 nm)更促进了底物传质。微生物群落与电极材料的协同作用，使得乙酸盐产率突破现有技术瓶颈，为MES的规模化应用奠定了理论基础和技术储备。这项工作提出的"电催化-生物催化"耦合策略，为发展碳中和关键技术提供了新范式。