微生物電解池輔助CO2甲烷化陰極材料的研究進展

鄭小梅，林茹晶，周文靜，徐泠，張洪寧，張昕穎，謝麗

（1 同濟大學長江水環境教育部重點實驗室，上海 200092；2 同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

隨著化石燃料的枯竭，人類將面臨嚴重的能源短缺。厭氧消化（anaerobic digestion,AD）能夠實現有機廢物產生沼氣，有望替代天然氣能源（含CH85%～96%），符合我國可持續發展的戰略要求。生物沼氣的主要成分是CH（60%～40%）和CO（40%～60%），還包含少量H、NH和HS等氣體。為了提高沼氣的熱值，目前工業上的沼氣提純主要采用物理或化學方法實現CO的去除，包括水洗、膜分離、變壓吸附、胺洗滌、低溫分離等技術，但以上技術的能耗、物耗較高，對環境不友好且容易造成CH損失。利用厭氧微生物進行沼氣提純成本相對低廉，對環境友好，但受限于外源氫氣的供給及氣液傳質效率，現有生物沼氣提純技術獲得的甲烷含量仍低于物理化學方法。

微生物電解池（microbial electrolysis cell,MEC）與AD 工藝耦合（MEC-AD）是一種新型的甲烷提純方法，此方法利用微生物催化電極反應還原CO為CH，具有低價高效、環境友好、能量轉化率高等特點，受到廣大學者的關注。該工藝的核心在于具有電子儲存功能的陰極及功能微生物菌群，陰極既是電子供體又是細菌的載體，而電極材料的一些特殊表面特性，如表面粗糙度、生物相容性、微生物與電極之間的電子傳遞效率等，直接影響陰極生物的催化活性。早期MEC-AD 的陰極材料主要為Pt/C 平面電極，盡管Pt 電極有良好的氧化還原性能，但其稀缺性、高成本和低穩定性限制了市場化的應用，且平面電極比表面積小、與微生物的相互作用較弱、容易被化學物質如硫化物腐蝕，不利于MEC-AD 系統產甲烷。……