基于阴极化学修饰的MFC构筑及其增强CO2还原性能研究

In recent years, environmental pollution is a major problem that restricts the economic development. Pollution caused by the emission of greenhouse gas CO2 is becoming particularly prominent. Converting CO2 to available fuels has attracted much attention and become a hot research field. However, low conversion efficiency, complex and energy consumption technology are challenges we have to face. In this project, we propose a new strategy for CO2 reduction by current-producing microbes. A novel microbial fuel cell (MFC) system will be designed. In this system, dissimilatory iron reducing bacteria will be used as electron donor in anode chamber. Cathode will be modified by metal@metallic oxide composite. Then catalytic activity for CO2 reduction will be tested. Structure-activity relationship between CO2 reduction and microbial production efficiency will be revealed by strain screening. Finally, influence of cathodic chemical modification and CO2 reduction mechanism will be studied emphatically. This project can provide theoretical and practical guidance for the selection of MFC cathodic modified materials. This novel MFC system provides an easy and gender process for CO2 conversion. Not any extra voltage is needed in this novel MFC system. We expect to obtain a simple and efficient method for CO2 transformation, reveal essential characteristics of CO2 reduction, enrich basic theory of CO2 reduction, and broaden the application scope of MFC in the field of environmental protection.

环境污染是制约当前经济发展的重大难题，大量温室气体CO2的排放所带来的污染尤为突出。将CO2转化为可利用的资源是近年来环境保护领域的研究热点。而CO2转化效率低、方法复杂耗能等是该领域所面临的难题。鉴于此，本项目提出利用微生物自身产电的方式实现CO2还原的新策略，以异化铁还原菌为阳极电子供体，金属@金属氧化物化学修饰的碳毡为阴极构筑微生物燃料电池（MFC）体系，评价该体系催化还原CO2生成甲酸的性能；通过对阳极菌株的筛选研究菌株产电与CO2还原之间构效关系；深入探究阴极化学修饰材料结构对CO2还原性能的影响规律及催化机制，为有针对性地选择MFC阴极化学修饰材料提供理论和实践指导。该体系还原CO2过程简单节能，反应条件温和，菌株来源广泛，不需要额外能量的输入。期望藉此研究获得一种简单高效的CO2转化方法，揭示CO2还原的本质特征，丰富CO2还原的基础理论，拓宽MFC在环境保护领域的应用范围。

近年来，温室气体CO2的排放量持续增长，导致全球平均气温上升，引发冰盖融化、极端天气等一系列问题，严重危及人类生命和生活。控制CO2的排放量，降低其对自然环境的危害成为当前亟待解决的问题。目前，治理CO2最为合理有效的途径是将其转化为诸如甲烷，甲醇，甲酸等可以利用的能源。但这一过程普遍存在转化率低、能耗高、过程复杂等瓶颈问题。因此，本项目旨在开发一种低耗高效的CO2治理新方法，研究过程中设计了微生物燃料电池（MFC）体系，通过微生物自身产电的方式实现CO2的还原，并通过对微生物燃料电池的电极材料进行修饰以进一步提高CO2的转化率。主要研究内容及其结果包括：（1）构筑了MFC体系，对MFC体系中阳极异化铁还原菌的菌株、阳极电子供体、阴极基质等进行了对比筛选，确定了最佳的体系条件；探索了催化剂在MFC电极上的负载工艺，并确定了最佳负载技术；（2）通过不同方法制备了三个系列的金属单质、金属@金属氧化物纳米材料，主要包括纳米零价Fe、Fe2O3及具有核壳结构的Fe@Fe2O3、Co@Co3O4、 Ni@NiO纳米催化剂，并对其进行了XRD、SEM、TEM等表征。将所制备的纳米材料作为微生物燃料电池的阴极修饰材料，通过对CO2催化还原性能的研究，发现对阴极电极进行化学修饰可显著增强CO2的催化还原效果。其中，阴极负载具有核壳结构的Fe@Fe2O3的MFC体系具有最佳的催化性能。（3）在最优的反应体系中，对CO2催化还原的机理进行了探究和分析。本项目的研究工作，为CO2的还原提供了新的研究思路，对温室气体的治理提出了可行的研究方法，具有良好的潜在应用价值。