Nano Energy :法拉第效率高達96%的微生物/光電復合人工光合作用體系

【引言】

利用太陽能作為能量來源產生高附加值化學品具有重要的環境和經濟意義。人工光合作用系統用以模仿植物自然光合作用，是一種極具前景的太陽能-燃料直接轉換方法。最近，越來越多的研究興趣轉向用于生產碳基燃料的太陽能驅動的電化學CO₂還原。然而，由于選擇性較差以及還原CO₂的電位較高，CO₂還原催化劑的開發面臨相當大的挑戰。為克服上述挑戰，微生物-光電化學復合系統已成為一種有前景的方法。在上述體系中，光電極首先利用太陽能來產生還原性物質(如H₂等)，然后微生物利用這些還原性物質作為電子供體，將CO₂還原成有機化合物(例如CH₄、乙酸鹽和異丙醇)。 然而，這些系統也基于“兩步法”過程，包括了兩個單獨的反應，其性能很大程度上受電子中間體在水溶液中的質量傳遞和反應的能量勢壘的限制。

【成果簡介】

近日，重慶大學廖強教授、付乾研究員、電子科技大學李嚴波教授(共同通訊作者)等提出了一種微生物-光電化學復合系統，可以采用“一步法”高效還原CO₂產CH₄，而不會產生任何副產物，并在Nano Energy上發表了題為“Hybrid solar-to-methane conversion system with a Faradaic efficiency of up to 96%”的研究論文。該復合系統采用生物陰極，能夠在極低的過電勢(<50 mV)下將CO₂還原為CH₄，同時利用TiO₂納米線陣列光陽極進行光捕獲和水氧化。整個體系以太陽能作為唯一的能量輸入，將CO₂還原為CH₄具有高度的選擇性，整體法拉第效率高達96%，為目前國內外報道的最高法拉第效率。通過持續供應CO₂，復合體系在90 h內均可產生穩定的電流，從而證明其長期穩定性良好。

【圖文簡介】
圖1 微生物/光電復合人工光合作用系統

微生物/光電復合人工光合作用系統示意圖。

圖2 生物陰極將CO₂轉化為CH₄的性能測試

A) 生物陰極在-0.3、-0.4和-0.5 V(vs. SHE)平衡電位下的電流曲線；
B) 生物陰極在-0.3、-0.4和-0.5 V(vs. SHE)平衡電位下的CH₄產生曲線；
C) 生物陰極在不同工作電勢下的法拉第效率；
D) 生物陰極、非生物對照和無細胞上清液的CV曲線(掃速：1 mV·s^-1)；
E) ¹²CO₂氣氛下氣相產物GC-MS分析；
F) ¹³CO₂氣氛下氣相產物GC-MS分析。

圖3 生物陰極形貌表征以及生物陰極菌落分析

A) 平衡電位下培養對照電極的SEM圖像；
B) 平衡電位下培養生物陰極的SEM圖像；
C) 生物陰極的微生物分布。

圖4 光陽極的表面形貌及電化學性能表征

A) TiO₂光陽極和FTO的XRD譜圖；
B) TiO₂光陽極的紫外可見漫反射譜圖；
C,D) TiO₂納米線生長于FTO玻璃的SEM 圖像(C圖為頂視圖，D圖為側視圖)；
E) TiO₂光陽極在0.2M KOH電解質溶液中暗處、50、100和150 mW·cm^-2光密度下的LSV曲線(掃速：10 mV·s^-1)；
F) 100 mW·cm^-2光密度下TiO₂光陽極開/關循環的LSV曲線(掃速：10 mV·s^-1)。

圖5 微生物/光電復合人工光合作用系統還原CO₂產CH₄的性能測試

A) 生物陰極(紅色)和光陽極(藍色)開路條件下對光照有/無的電勢響應；
B) 對光照有/無的電流響應；
C) 在100 mW·cm^-2模擬太陽光照射下復合體系的電流響應；
D) 微生物/光電復合人工光合作用系統的CH₄產生和法拉第效率。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種新型微生物/光電復合人工光合作用系統，并將其用于高效和可持續的太陽能-甲烷直接轉化。該系統集成了具有直接電子特性的高效還原CO₂產CH₄的生物陰極和TiO₂納米線陣列光陽極。由于生物陰極的過電勢較低，該系統以高達96%的法拉第效率(為目前國內外報道最高法拉第效率)實現了CO₂還原，并且可以在90 h內保持性能無明顯降低。該復合系統將無機半導體與微生物催化劑相結合，可以收集、利用太陽光將CO₂還原為CH₄，為開發碳基燃料生產的可持續人工光合系統提供了新的平臺及思路。

文獻鏈接：Hybrid solar-to-methane conversion system with a Faradaic efficiency of up to 96%?(Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.08.051)

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