多功能多孔导电膜帮助微生物更快地转化二氧化碳

KAUST开发的微孔导电膜有望帮助塑造用于CO2转化技术的微生物电合成的未来。膜同时刺激以CO2为食的微生物的生长并有助于生化产物的分离。

微生物电合成是减少人类碳足迹的有前途的策略。它使用特定的活微生物通过施加电压下的还原反应将CO2转化为电化学电池中的有用化学物质。随着CO2的减少，微生物繁殖，在电池的阴极上形成生物膜，但它们的生长涉及一个繁琐的多步骤富集过程，需要30多天。

这种富集过程是实现具有工业吸引力的生化生产和CO2生物转化的主要瓶颈。另一个消耗是用于分离主要由醋酸盐组成的产品的复杂和能源密集型技术。

主要作者、PascalSaikaly小组的博士后BinBian及其同事此前曾使用配备导电中空纤维膜的电化学生物反应器来处理废水。这样做时，他们发现微滤后在中空纤维膜上形成了厚厚的生物膜。“这表明在微生物电合成系统中可以实现类似的以CO2为食的生物膜的富集过程，”Bian说。

受这一发现的启发，研究人员设计了金属涂层陶瓷中空纤维膜来制造导电阴极，该阴极可加速微生物生长，同时使醋酸盐更容易分离。该涂层由均匀分布的镍纳米颗粒组成，它们催化水电解成氢气，氢气是膜和微生物之间电子转移的关键介质。

研究人员评估了他们的膜阴极在非生物介质和存在污泥的情况下的性能。他们发现，在这两种情况下，镍催化的氢气生产对于促进微生物生长和CO2转化为乙酸盐都是必不可少的。“此外，中空纤维充当吸附在其表面的微生物的CO2输送通道，从而提高了CO2还原的效率，”Bian说。

使用镀镍空心纤维阴极的微生物电合成系统在一个月内实现了稳定的CO2生物转化。“这超出了我们的预期，”Bian说，并指出以前的系统至少需要三个月才能达到稳定运行。“这是未来扩大规模的一个重要方面，”他解释道。

在致力于提高性能的同时，该团队现在正在扩大其微生物电合成系统的反应器体积和处理能力。他们还在研究如何将他们的系统与链延长技术相结合，以将生物转化扩展到醋酸盐和甲烷以外的增值生化产品。