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编辑：缪伊雯/ 主编：张大川、蒋羽鸽/ 学术顾问：寇兴然
江南大学刘和教授团队在二氧化碳微生物电还原技术方面取得新进展
Chemical Engineering Journal
●近日，刘和教授团队在Chemical Engineering Journal期刊（IF=13.3）发表了题为“Upgrading algae waste into 3-D bio-cathode to enhance acetate synthesis by microbial electrosynthesis”的研究成果。
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成果介绍
在全球“双碳”目标的背景下，微生物电合成技术（Microbial Electrosynthesis, MES）因其可以通过功能微生物（如同型产乙酸菌）捕获阴极电子，将CO₂还原为乙酸等高附加值化学品而备受关注。该技术具有反应条件温和、产品选择性高等优点，因此在二氧化碳减排和高附加值化学品生产领域展现出巨大应用潜力。然而，现有阴极材料因孔隙结构不完善、电催化效率较低，导致电极与微生物之间的电子传输效率受限，制约了MES技术的进一步推广。
为解决这一问题，本研究采用酚醛树脂交联和碳酸钙模板改性技术（图1），将富含氮、氧元素的废弃蓝藻生物质升级为具备发达孔隙结构和优异电催化性能的三维多孔电极材料（图2）。这一新型三维多孔蓝藻电极（PAE）具备改良的氮掺杂结构、丰富的含氧官能团以及平均孔径约为70微米的大孔结构，显著提升了电极的微生物负载能力和电催化活性。
实验结果表明，三维多孔蓝藻电极在MES生物阴极中表现出优异的乙酸合成能力，达到1020.86 mol/m³，是传统商用碳毡材料的1.7倍，同时无机碳的转化率接近90%（图3）。研究进一步揭示了该电极材料增强MES性能的机制，发现三维蓝藻多孔电极发达的孔隙结构显著提高了微生物负载能力，而改进的氮掺杂结构和含氧官能团分别通过直接和间接电子传输增强了电极与微生物之间的相互作用（图4）。
这一高效、易于制备且成本低廉的MES阴极材料，为二氧化碳向高附加值化学品的转化和有机固废的资源化处置提供了全新的技术途径与应用前景。
论文的第一作者为2022级博士生曹启浩，目前以第一作者在Chemical Engineering Journal、Bioresource Technology等期刊发表SCI论文4篇。通讯作者为江南大学环境与生态学院的刘和教授。本项研究工作得到了江苏省生态环境科研项目：成果转化与推广项目（2022009）的资助和支持。
近年来刘和教授团队在微生物电合成技术的固碳机制与调控、污泥厌氧发酵产酸等方面取得了丰硕成果，相关成果发表在Water Research、Applied and Environmental Microbiology、Chemical Engineering Journal、Bioresource Technology等领域权威期刊。
图1. 三维多孔蓝藻电极的制备过程示意图
图2. 三维多孔蓝藻电极的理化特性
图3. 三维多孔蓝藻电极的微生物电合成表现
图4. 三维多孔蓝藻电极强化乙酸合成的机制
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