【 引言】

利用太陽能作為能量來源產(chǎn)生高附加值化學品具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟意義。人工光合作用系統(tǒng)用以模仿植物自然光合作用，是一種極具前景的太陽能-燃料直接轉(zhuǎn)換方法。最近，越來越多的研究興趣轉(zhuǎn)向用于生產(chǎn)碳基燃料的太陽能驅(qū)動的電化學CO₂還原。然而，由于選擇性較差以及還原CO₂的電位較高，CO₂還原催化劑的開發(fā)面臨相當大的挑戰(zhàn)。為克服上述挑戰(zhàn)，微生物-光電化學復合系統(tǒng)已成為一種有前景的方法。在上述體系中，光電極首先利用太陽能來產(chǎn)生還原性物質(zhì)(如H₂等)，然后微生物利用這些還原性物質(zhì)作為電子供體，將CO₂還原成有機化合物(例如CH₄、乙酸鹽和異丙醇)。 然而，這些系統(tǒng)也基于“兩步法”過程，包括了兩個單獨的反應，其性能很大程度上受電子中間體在水溶液中的質(zhì)量傳遞和反應的能量勢壘的限制。

【成果簡介】

近日，重慶大學廖強教授、付乾研究員、電子科技大學李嚴波教授(共同通訊作者)等提出了一種微生物-光電化學復合系統(tǒng)，可以采用“一步法”高效還原CO₂產(chǎn)CH₄，而不會產(chǎn)生任何副產(chǎn)物，并在Nano Energy上發(fā)表了題為“Hybrid solar-to-methane conversion system with a Faradaic efficiency of up to 96%”的研究論文。該復合系統(tǒng)采用生物陰極，能夠在極低的過電勢(<50 mV)下將CO₂還原為CH₄，同時利用TiO₂納米線陣列光陽極進行光捕獲和水氧化。整個體系以太陽能作為唯一的能量輸入，將CO₂還原為CH₄具有高度的選擇性，整體法拉第效率高達96%，為目前國內(nèi)外報道的最高法拉第效率。通過持續(xù)供應CO₂，復合體系在90 h內(nèi)均可產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，從而證明其長期穩(wěn)定性良好。

【 參考文獻】

圖1 微生物/光電復合人工光合作用系統(tǒng)

微生物/光電復合人工光合作用系統(tǒng)示意圖。

圖2 生物陰極將CO₂轉(zhuǎn)化為CH₄的性能測試

A) 生物陰極在-0.3、-0.4和-0.5 V(vs. SHE)平衡電位下的電流曲線；
B) 生物陰極在-0.3、-0.4和-0.5 V(vs. SHE)平衡電位下的CH₄產(chǎn)生曲線；
C) 生物陰極在不同工作電勢下的法拉第效率；
D) 生物陰極、非生物對照和無細胞上清液的CV曲線(掃速：1 mV·s^-1)；
E) ¹²CO₂氣氛下氣相產(chǎn)物GC-MS分析；
F) ¹³CO₂氣氛下氣相產(chǎn)物GC-MS分析。

圖3 生物陰極形貌表征以及生物陰極菌落分析

A) 平衡電位下培養(yǎng)對照電極的SEM圖像；
B) 平衡電位下培養(yǎng)生物陰極的SEM圖像；
C) 生物陰極的微生物分布。

圖4 光陽極的表面形貌及電化學性能表征

A) TiO₂光陽極和FTO的XRD譜圖；
B) TiO₂光陽極的紫外可見漫反射譜圖；
C,D) TiO₂納米線生長于FTO玻璃的SEM 圖像(C圖為頂視圖，D圖為側視圖)；
E) TiO₂光陽極在0.2M KOH電解質(zhì)溶液中暗處、50、100和150 mW·cm^-2光密度下的LSV曲線(掃速：10 mV·s^-1)；
F) 100 mW·cm^-2光密度下TiO₂光陽極開/關循環(huán)的LSV曲線(掃速：10 mV·s^-1)。

圖5 微生物/光電復合人工光合作用系統(tǒng)還原CO₂產(chǎn)CH₄的性能測試

A) 生物陰極(紅色)和光陽極(藍色)開路條件下對光照有/無的電勢響應；
B) 對光照有/無的電流響應；
C) 在100 mW·cm^-2模擬太陽光照射下復合體系的電流響應；
D) 微生物/光電復合人工光合作用系統(tǒng)的CH₄產(chǎn)生和法拉第效率。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種新型微生物/光電復合人工光合作用系統(tǒng)，并將其用于高效和可持續(xù)的太陽能-甲烷直接轉(zhuǎn)化。該系統(tǒng)集成了具有直接電子特性的高效還原CO₂產(chǎn)CH₄的生物陰極和TiO₂納米線陣列光陽極。由于生物陰極的過電勢較低，該系統(tǒng)以高達96%的法拉第效率(為目前國內(nèi)外報道最高法拉第效率)實現(xiàn)了CO₂還原，并且可以在90 h內(nèi)保持性能無明顯降低。該復合系統(tǒng)將無機半導體與微生物催化劑相結合，可以收集、利用太陽光將CO₂還原為CH₄，為開發(fā)碳基燃料生產(chǎn)的可持續(xù)人工光合系統(tǒng)提供了新的平臺及思路。