《Journal of Water Process Engineering》：Overcoming mass-transfer limitation in microbial electrosynthesis by using permeable carbon-nanotube cathodes
编辑推荐：
•一种可渗透的碳纳米管（CNT）中空纤维阴极克服了微生物电合成（MES）中的质量传递限制。•对流运输的HCO3?在流式操作中使CH4的产量翻倍。•在最高渗透流速下，CH4的产量达到了8.2 ± 1.2 L/m2/d。•高流速下库仑效率下降，可能是由于H2的逸出。•Methanob
- •
一种可渗透的碳纳米管（CNT）中空纤维阴极克服了微生物电合成（MES）中的质量传递限制。
- •
对流运输的HCO3?在流式操作中使CH4的产量翻倍。
- •
在最高渗透流速下，CH4的产量达到了8.2 ± 1.2 L/m2/d。
- •
高流速下库仑效率下降，可能是由于H2的逸出。
- •
Methanobrevibacter和Methanobacterium在产甲烷微生物群落中占主导地位。
引言
人类活动（如化石燃料燃烧）产生的外源性CO2导致了全球变暖。为了减轻CO2排放的负面影响，人们将碳捕获与利用（CCU）技术与其他化学和生物方法相结合，以实现从大气中的CO2生产有价值的材料[1]。微生物电合成（MES）是利用这些生物技术之一，可将CO2转化为增值有机产品。在MES过程中，附着在电化学电池阴极上的厌氧微生物通过氧化阴极产生的H2或直接吸收电子来利用CO2[2]、[3]。MES可以生成甲烷（CH4）、有机酸和酒精[4]、[5]。
在MES的产物中，CH4因其与现有能源基础设施的高度兼容性而受到广泛关注，这使得它能够直接整合到当前的运输、储存和利用系统中[6]。首次使用纯Methanobacterium菌株展示了CH4的生物合成过程，而最近的研究试图提高CH4的生产率和电流密度[7]、[8]。已有多种策略用于改进阴极的性能[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。例如，将铜铁氧体掺入氧化石墨烯中，使异丁酸和乙酸的产量电流密度提高了50%[15]。
尽管MES取得了进展，但仍然存在固有的质量传递限制。特别是，将无机碳（IC）有效地传递给产甲烷微生物对于最大化MES的整体性能至关重要[16]。开发了带有气体扩散层（GDEs）的电极来克服这一限制。这些电极通过其多孔结构允许直接向产甲烷微生物供应IC[9]、[13]、[17]。此外，传统的平面型GDEs已被多孔中空纤维结构所取代，后者提供了更大的比表面积，这对于大规模应用的经济性至关重要[10]、[18]、[19]。例如，一种基于镍的中空纤维阴极实现了84%的最大法拉第效率，并且CH4的产量达到了3.6 L/m2/d，这比传统系统提高了3.8倍的库仑效率和1.8倍的CH4产量[10]。
由于基于金属的电极容易腐蚀并且可能妨碍微生物的附着[20]，因此使用了基于碳的材料（如石墨烯[19]和碳纳米管（CNTs）作为涂层来弥补这些限制。然而，这些涂层存在结构不稳定（如开裂、变形）的问题，这意味着需要更好的无金属中空纤维阴极[21]。
在这项研究中，我们合成了一个完全由CNTs组成的无金属导电中空纤维电极。它作为一种多孔、导电的中空纤维电极（pCHE），用作MES的阴极。pCHE的孔隙由随机缠绕的CNT网络形成，提供了高电导率并促进了微生物的附着。我们使用来自污水处理厂的厌氧消化污泥在MES中评估了pCHE的CH4生产性能，并比较了使用pCHE的传统系统和流式系统在CH4产量和微生物群落组成方面的差异。
章节片段
可渗透碳纳米管中空纤维电极（pCHE）的制备
pCHE是使用之前报道的湿法纺丝方法制备的[22]、[23]。简要来说，将COOH功能化的多壁碳纳米管（f-MWNTs，美国）与聚乙烯丁醛（PVB）（Butvar? B-74）在N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）中混合（MWCNTs:PVB:NMP = 2:1:17，按重量计）。搅拌24小时后，使用去离子水作为孔隙传导液和外部凝固液进行湿法纺丝。制备好的中空纤维在Ar气氛中于350°C下煅烧2小时以去除PVB
制备的pCHE的特性
如图2a所示，制备的pCHE呈管状，外径和内径分别为1毫米和0.6毫米。表1总结了pCHE的特性。图2b显示的表面形态显示出由缠绕的CNT网络组成的粗糙多孔结构。这种结构不仅提供了具有57.5 ± 3.1 S/cm电导率的坚固导电框架，而且还具有较高的比表面积（78 m2/g）。这种多孔框架促进了...
结论
基于pCHE的流式配置表明，增加HCO3?向阴极的对流传输可以最小化CH4生产MES的质量传递限制。最佳性能为CH4产量为6.6 L/m2/d，库仑效率为96%，比传统MES配置高了2.1倍。这种性能的提高伴随着产H2的甲烷生成微生物（特别是Methanobrevibacter（占古菌的88%）和Methanobacterium）的富集
CRediT作者贡献声明
Seungyeob Han：写作 – 审稿与编辑，原始稿撰写，数据分析，概念构建。Mi-Young Lee：写作 – 审稿与编辑，方法论研究，数据分析。Ga-Yeong Kim：写作 – 审稿与编辑，研究。Joo-Youn Nam：写作 – 审稿与编辑，方法论研究。Yeo-Myeong Yun：写作 – 审稿与编辑，数据分析。Bruce E. Rittmann：写作 – 审稿与编辑。Seoktae Kang：写作 – 审稿与编辑，项目监督
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国科学技术信息通信部的“碳资源平台化合物制造技术发展项目”（项目编号：N01250422）的支持。
Seungyeob Han|Mi-Young Lee|Ga-Yeong Kim|Joo-Youn Nam|Yeo-Myeong Yun|Bruce E. Rittmann|Seoktae Kang
