Energy Technology: 以氢气为电子传递介体的复合无机-生物催化系统及其应用

利用太阳能和风能等可再生能源发电近年来发展迅速,但由于自然条件的限制,由太阳能和风能转化而来的电能存在不连续和波动的缺点,难以并网输电。因此,造成了该类可再生电能利用率低的问题。复合无机-生物催化系统是近年来兴起的新型催化理念,将电催化和生物催化的优势相结合,把多余的电能转化为化学能,实现低品质电能的存储和利用。该复合系统中的无机催化剂可以原位催化生成氢气、Fe2+和甲酸根等电子介体,进而利用电子介体实现电极与微生物之间的电子传递。相对于电极与微生物之间的直接电子传递,基于电子介体的电子传递具有更高的速率。从电化学过程与生物代谢耦合效率的角度而言,氢气是一种理想的电子传递介体。利用氢气的产生与氧化过程,氢气作为能量载体和电子供体,为微生物的生长代谢提供能量,将电催化反应与微生物代谢相结合。在复合无机-生物催化系统中,氢气的高效产生与利用是构建该复合系统并确保其高效运行的关键。

近日,浙江大学化学工程与生物工程学院的李中坚副教授及侯阳研究员总结了以氢气为介体的复合无机-生物催化系统的原理与分类,在高附加值化学品的合成与在环境污染控制方面的应用以及该新型耦合系统面临的挑战。首先,本文从直接电子传递和间接电子传递两个方面介绍了该系统中微生物和电极之间的电子传递机理。与直接电子传递相比,间接电子传递利用电极表面原位产生的电子介体将电子从电极传递到微生物,电子传递速率更快。氢气则是理想的电子介体之一;其次,本文概括了该系统中析氢反应催化剂的研究进展,氢气从电极表面产生到微生物细胞膜内的传质过程及限制因素;最后,该综述回顾了近期复合无机-生物催化系统的最新相关应用,包括将CO2还原为乙酸、生物燃料和多碳高附加值化合物,废水脱氮与脱硫等方面的应用。作者认为,提高析氢反应催化剂在微生物营养液环境中的产氢性能和生物相容性,优化氢气从电极表面向微生物的传递过程是提高该系统能量利用率的关键因素。

相关综述论文“Hydrogen-mediated electron transfer in hybrid microbial-inorganic system and application in energy and environment”在线发表在Energy Technology(2019, 7, 1800987)上。该论文第一作者为浙江大学化工学院博士生修思源。