微生物/光电化学耦合固碳产甲烷人工光合作用系统能质传递及转化特性

The hybrid bio-photo-electrochemical artificial photosynthetic system can directly use solar energy as energy input to convert carbon dioxide to methane, and has been considered to be a promising renewable energy. The characteristics of electron transfer and mass transfer processes in this system significantly affect the performance of the hybrid system. In this project, we focus on the key issues involved in the hybrid bio-photo-electrochemical artificial photosynthetic system. We will first start up a biocathode that is capable of converting carbon dioxide to methane via direct electron transfer pathway, and investigate the energy conversion and mass transport characteristics. The relationship between the methane production performance and the distribution of mass transfer resistance in the biocathode will be determined to further improve biocathode performance. In addition, a photo-anode with available valence and conduction band potential that matching the biocathode will be constructed, and the energy conversion and mass transport characteristics in the bioanode will be investigated. Finally, a novel hybrid bio-photo-electrochemical artificial photosynthetic system will be established by combining the biocathode and photoanode. The characteristics of energy conversion and mass transport, as well as the coupling characteristic of multi-physical fields, in the hybrid system will be systematically investigated to enhance the performance of the hybrid system and provide theoretical basis of integration of bioelectrochemical and photoelectrochemical systems.

微生物/光电化学耦合固碳产甲烷人工光合作用系统可有效利用太阳能还原二氧化碳产甲烷，是一种极具应用前景的可再生能源技术。该系统中存在着复杂的耦合光/电化学/生化反应的能质传递及转化特性，对系统性能起着非常重要的作用。本申请围绕构建新型微生物/光电化学耦合固碳产甲烷人工光合作用系统及性能强化，构建具有直接电子传递特性的高效固碳产甲烷微生物阴极，研究微生物阴极生物膜内能质传递特性及其对微生物阴极性能的影响规律，为微生物阴极构建及性能优化提供理论指导；研发具有合适价带、导带电位及禁带宽度的光阳极，研究入射光条件、催化层结构及运行条件等对光阳极能质传递特性及其电化学性能的影响规律；构建新型的微生物/光电化学耦合人工光合作用系统，针对其多元多相能质传递与转化特性及多场耦合特性进行实验及理论研究，为耦合系统的性能强化提供理论指导，同时为微生物电化学与光电化学相耦合的技术提出全新的思路。

人工光合作用系统（Artificial Photosynthetic Systems）通过模拟自然界中光合作用工作原理，可利用太阳能将CO2转化为化学燃料和化学品，从而成为近十几年国际上研究热点。目前，针对人工光合作用还原CO2制取化学燃料的研究多集中在阴极侧高效、廉价且稳定性好的催化剂材料的研发和制备上，且多限于无机催化剂。然而，通过无机催化剂还原CO2制取化学燃料存在反应过电势高、产物选择性差、法拉第效率低（一般<70%）等问题。.本项目提出了一种新型耦合光阳极和具有直接电子传递特性的微生物阴极的固碳产甲烷人工光合作用系统，通过采用可见光响应复合光阳极及微生物阴极表面修饰的强化方法，使得该系统仅利用太阳能即可实现高效还原CO2产CH4，该系统还原CO2产CH4的过电位低于50mV，还原CO2产CH4的法拉第效率高达96%，为目前国内外报道中最高法拉第效率。构建了微生物/光电化学耦合系统的全场稳态能质传输理论模型，分析了阴阳极两侧各物质的浓度分布特性，获得了初始pH、初始碳酸氢根浓度、OH-浓度等运行参数对物质浓度分布及耦合系统性能的影响规律。在此基础上，针对微生物阴极性能低的关键瓶颈问题，研究了壳聚糖、PEDOT、聚吡咯等聚合物修饰微生物阴极对其启动时间、甲烷产率、法拉第效率、生物膜形貌结构的影响规律，获得了通过表面修饰方法缩短微生物阴极启动时间、提高微生物阴极性能的方法；利用石墨烯吸附溶液中微生物的能力，提出通过磁性自组装构建固碳产甲烷生物膜的方法，该方法能有效缩短固碳产甲烷微生物阴极启动时间，同时有效提升阴极甲烷产率；通过3D打印技术构建了结构可控的三维多孔电极，有效优化了三维电极内物质传输通道，促进三维电极内生物膜生长，从而显著提升了微生物阴极固碳产甲烷性能。最后，构建了一种集成微生物燃料电池的自偏压式微生物/光电化学耦合系统，获得了系统内传递及转化特性，实现了在无外加偏压条件下高效固碳产甲烷。