电化学遇上微生物，NiFe合金催生CO 2转化新路径：既能制甲烷，又能产高值羧酸！
电化学遇上微生物，NiFe合金催生CO2转化新路径：既能制甲烷，又能产高值羧酸！| MDPI Methane
论文标题：The Impact of a NiFe-Based Metal Alloy on CO 2 Conversion to CH 4 and Carboxylic Acids in a Microbial Electrosynthesis Cell
论文链接： https://doi.org/10.3390/methane4030019
期刊名： Methane
期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/methane
当“吃电”的微生物遇见精心设计的金属合金催化剂，温室气体CO 2 不仅能转化为甲烷能源，还能“升级”为价值更高的丁酸、己酸。这项发表于 Methane 期刊的最新研究，为CO 2 资源化利用打开了新的想象空间。
1. 研究背景
随着气候变化日益加剧，碳捕集与利用技术成为全球关注的焦点。在众多转化路径中， 微生物电合成 是一种极具潜力的解决方案：它利用电活性微生物从电极获取电子，将二氧化碳（CO 2 ）还原为甲烷（CH 4 ）等高价值化学品。
然而，这项技术也面临一个核心瓶颈—— 电子传递效率 。微生物与阴极之间的电子“沟通”不够顺畅，严重制约了CO 2 的转化速率和产物选择性。如何设计高性能阴极材料、优化电子传递路径，成为提升微生物电合成（Microbial Electrosynthesis，MES）系统效率的关键突破口。
NiFe基合金 因其优异的导电性、催化活性和生物相容性，近年来在电催化领域备受关注。那么，这些金属材料能否在微生物电合成系统中“大显身手”？本研究给出了答案。
2. 研究设计
本研究系统评估了 三种NiFe基合金催化剂 （NiFeBi、NiFeMn和NiFeSn）在微生物电合成系统中对CO 2 转化的影响。
研究首先将这些合金通过 电沉积技术 分别负载在两种不同类型的阴极基底上：
• 导电生物环阴极： 一种传统的平面导电基底
• 3D打印导电聚乳酸网格： 一种具有三维多孔结构的新型阴极，旨在提升微生物附着和营养物质传递效率
随后，研究团队在恒流模式下运行MES反应器，定期监测甲烷和羧酸的产量，并通过循环伏安法分析电极的电化学性能。部分实验持续运行长达12个月，以评估催化剂的长期稳定性。
3．研究结果
3.1 不同合金的差异化表现
研究发现，不同NiFe合金对产物分布展现出显著差异：
• NiFeBi合金： 显著 抑制甲烷生成 ，甲烷产量从0.55降至0.12 L (Lc d) -1 ，降幅高达80%；同时乙酸产量提升至1.0 g (Lc d) -1 ，表明产酸菌活性明显增强。
图1. 在导电生物环阴极上存在和不存在电沉积 NiFeBi 催化剂的情况下，MES 反应器中甲烷和乙酸的生成速率。
• NiFeSn合金 ： 同时提升 甲烷和乙酸的产量，展现出促进碳链延长和CO 2 吸收的双重潜力。
• NiFeMn合金 ：效果居中，介于两者之间。
图 2. 在碳毡阴极上存在和不存在电沉积 (A) NiFeMn 和 (B) NiFeSn 催化剂的情况下，MES 反应器中甲烷和乙酸的生成速率。
3.2 3D打印阴极的突破
当将NiFeSn合金电沉积在 3D打印导电聚乳酸网格上 时，长链羧酸（丁酸和己酸）的产量显著增加，如图3。这表明3D打印结构具有更好的 生物相容性和营养输送能力 ，为微生物提供了更宜居的“家园”。
图 3. 在 MES 细胞中接种 (A) 混合培养污泥和 (B) 富集培养物，以及在 cPLA 阴极载体上电沉积 NiFeMn 和/或 NiFeSn 催化剂存在和不存在的情况下，甲烷和乙酸的产生速率。.
3.3 电化学性能验证
图4循环伏安分析表明，催化剂涂层显著改善了阴极的 电化学响应 ，实现了更高效的电子传递。同时，NiFeBi涂层使能量消耗降低了35%。
图 4. 在 MES 反应器中，以 5 mV s −1 的扫描速率，对 (A) cPLA 和 NiFeMn/cPLA 在测试开始和结束时记录的循环伏安图（非富集培养）；以及 (B) 在 MES 阴极电解液中，以富集培养进行 MES 测试结束时记录的 NiFeSn/cPLA 的循环伏安图（富集培养）。
4．结论与展望
催化剂选择和阴极结构设计是优化MES系统的两个核心杠杆。