[发明专利]一种微生物阴极催化还原CO2

说明书

本发明提供一种MES生物阴极催化还原CO₂合成有机物的方法。在微生物电合成系统中制备生物阴极，在阴极室中通入CO₂循环曝气，设定极化电势范围为‑0.8V—1.2V(vs.Ag/AgCl)。阴极上的驯化培养的微生物Ruminococcaceae、Clostridiaceae、Lachnospiraceae可以直接从电极或电极产生的氢气获得电子进行CO₂的还原，并合成有机物。本发明还原CO₂合成有机物的速率较快，对于CO₂固定转化并合成有机化学品具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及微生物电合成技术领域，具体涉及一种微生物阴极催化还原CO2电合成有机物的方法。

背景技术

在生物电化学系统中，通过向生长在阴极的卵形孢子虫细菌提供电子，可以将CO₂转化成多碳化合物。微生物电合成(microbial electrosynthesis)定义了微生物作为一种生物催化剂在MES 中将CO₂合成为有机物的反应。微生物电合成作为生物电化学系统的一种生物催化反应体系，能够将自然界中的电化学活性微生物作为一种生物催化剂，来加快反应的进行，最终实现CO₂的资源化利用，并且能够使其中的电能转化为低碳化合物的化学能。在该体系中，阳极室进行氧化反应，产生的质子和电子在外加电压的驱动下转移到阴极，而在阴极室中，阴极上的电化学活性微生物与电极发生相互作用，直接或间接的从阴极极板上获取电子，对CO₂进行摄取和固定，将CO₂转化为高附加值产物。由于细胞代谢过程为酶促反应，因此可以利用低品质的能量在温和的条件下实现高效定向的CO₂转化。产物主要包括短链或中链的脂肪酸及对应的醇等。随着产物的价值也显著增加，这为CO₂的资源化利用提供了一个崭新平台。

随着全球经济的快速增长和工业化水品的不断提升，使得全球能源需求量不断升高，化石燃料使用量增长，主要包括煤，石油和天然气，这间接导致了大量的CO₂被排放到大气中。从而使当今世界发展面临两大难题：能源资源短缺和温室效应。目前使地球上的CO₂含量减少的方法主要有两个：(1)用可再生的绿色能源替代传统的化石燃料；(2)开发高效节能的CO₂转化技术。从可持续发展和绿色化学的角度来看，CO₂作为一种优良的碳资源，在化学、化工生产中被用于制备高附加值化学品。因此，CO₂的资源化利用具有非常重要的学术价值和广阔的应用前景。

综上，利用微生物电合成应用于CO₂的资源化具有良好的研究价值和应用前景。

发明内容

本发明的目的是发明一种微生物电合成系统催化还原CO₂合成有机物的方法。其特征是厌氧污泥在通过微生物电合成系统的阴极富集菌种，通过微生物电化学途径将CO₂合成为有机物。有机物主要包括乙酸，丁酸。本发明克服了现有技术操作条件复杂，能耗高，成本高的不足。

一种微生物阴极催化还原CO₂电合成有机物的方法。工作原理是微生物的电子转移在整个系统中起到催化剂的作用，在通电的情况下，电极两端分别发生氧化反应(阳极)和还原反应(阴极)，在这个过程中阳极被氧化，阴极被还原的同时CO₂合成有机物。

本发明所述一种微生物阴极催化还原CO₂电合成有机物的方法，是构建双室微生物电化学反应器。阴极室与阳极室之间插入一张质子交换膜。质子交换膜在使用前置于0.6mol/L的NaCl溶液中浸泡48h，然后用去离子水清洗干净，使得质子交换膜得到充分浸润，更有利于阳离子通过。用钛丝作导线，复合泡沫铜电极作为阴极置于厌氧阴极室中，钛板作为阳极置于好氧阳极室中，参比电极采用Ag/AgCl(vs.SHE)并置于阴极室中。