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微生物电合成（MES）通过优化30厘米长流道的零间隙反应器设计，在2.3-2.8伏电压下实现电流密度提升131%（达17.5 A/m2），甲烷产量提高至6.9 L/L·d，电化学效率＞95%，能源效率达45.2%（30℃）。微生物群落分析显示空间异质性小，阴极生物膜以产甲烷菌为主（59.8%-50.5%），证实规模化过程中微生物功能稳定性。
边斌|马新瑞|李森|于娜佳娃|谢成翰|杨武林|布鲁斯·E·洛根
南京大学可持续能源与资源学院，中国苏州215163
摘要
微生物电合成（MES）为将二氧化碳（CO2）转化为高附加值产品提供了一条有前景的途径，然而低能量效率仍然是一个主要障碍，尤其是在扩大生产规模时。为了解决这个问题，研究人员开发了一种具有延长流动路径（30厘米）的零间隙MES反应器，并在多种应用电压下对其进行操作，以评估其能量转换和甲烷生产性能。将电池电压从2.3伏增加到2.7-2.8伏后，电流密度提高了131%，达到17.5安培每平方米（A m-2）。这一改进使得甲烷产量从1.4升/升·天（L/L-d）增加到6.9升/升·天，实现了高库仑效率（>95%），并在30°C条件下获得了最高的能量效率之一（45.2%）。模拟研究表明，氢气在电子转移中起着关键作用，充足的原位氢气生成对于维持扩大反应器中的高甲烷产量至关重要。微生物群落分析显示，沿延长流动路径的空间异质性很小，阴极生物膜主要由产氢菌属（Methanobacterium）主导（底部和顶部分别为59.8%和50.5%），反映了在扩大生产条件下的微生物功能稳定性。总体而言，结果表明，通过适当的操作优化，MES可以有效地扩大规模，而不会影响能量效率或微生物-电化学协同作用，为大规模系统的二氧化碳到甲烷转化提供了一条可行的途径。
部分内容摘录
引言
为了减缓全球变暖并促进循环经济，人们正在开发碳捕获和利用（CCU）技术，将二氧化碳转化为高附加值产品。其中，当由可再生能源驱动时，微生物电合成（MES）是一种有前景且可持续的方法，因为它能够直接将二氧化碳和电能转化为甲烷和其他有用的化学品（Bian等人，2020年；Fu等人，2018年；Liu等人，2015年）。到目前为止，许多MES系统已经取得了显著的成绩
材料与方法
MES反应器的设计与构建。使用两块PVC端板（每块尺寸为40.6厘米×15.2厘米×2.5厘米）构建了一个更大规模的零间隙电池，端板上共有六个螺纹孔——底部三个作为进液口，顶部三个作为出液口（详见支持信息（SI）中的图S1）。在阴极端板的顶部三个孔上方1.8厘米处额外开了一个孔，以延长反应器内的氢气反应时间。两个硅胶垫片之间放置了一个阳离子隔膜
结果与讨论
不同应用电压下的MES性能。反应器经过28天的适应期后，电流生成趋于稳定（第二阶段-Ac，4个批次循环），然后在三种不同的电压下进行操作（Bian等人，2025年）。随着应用电压的升高，MES反应器的电流密度也相应增加。在2.3伏（第三阶段-Va）时，两个批次循环的平均基线电流为7.3 ± 0.8安培每平方米（n=6，两个批次
结论
本研究证明，通过采用优化的零间隙反应器配置，微生物电合成（MES）用于甲烷生产可以有效地扩大规模，而不会影响能量效率或导致微生物的空间异质性。30厘米流动路径的反应器在30°C条件下实现了6.9升/升·天的甲烷产量，库仑效率超过95%，能量效率达到45.2%，这是标准条件下报道的最高效率之一——这证实了几何尺寸的扩大确实有助于提高生产效率
作者贡献声明
边斌：可视化、数据收集、初稿撰写。马新瑞：可视化、初稿撰写。李森：模拟、数据管理。于娜佳娃：数据收集、撰写、审稿与编辑。谢成翰：撰写、审稿与编辑。杨武林：资源协调、撰写、审稿与编辑。布鲁斯·E·洛根：资金筹集、监督、撰写、审稿与编辑。
作者贡献说明
边斌：初稿撰写、可视化、数据收集。马新瑞：初稿撰写、可视化。李森：数据分析、数据管理。于娜佳娃：撰写、审稿与编辑、数据收集。谢成翰：撰写、审稿与编辑。杨武林：撰写、审稿与编辑、资源协调。布鲁斯·E·洛根：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42507352）和诺和诺德基金会CO2研究中心（CORC）（项目编号：NNF22SA0078648）的支持。同时，也得到了宾夕法尼亚州立大学的支持。
