碳基材料作为微生物电解池析氢反应的高效催化剂：作用机制、方法及展望

氢气（H₂）具有较高的质量能量密度（120-142兆焦/千克），被视为终极能量载体[1],[2]，也是实现碳减排的重要手段之一，因为氢气燃烧是零碳排放过程，仅产生水蒸气（H₂O）[3]。然而，目前绝大多数氢气来自化石燃料，如通过蒸汽重整和煤气化工艺生产[4],[5],[6]，这些过程会释放大量二氧化碳（CO₂）[3],[7]。此类制氢方式加剧了环境污染和全球变暖，违背了将氢能作为清洁能源的初衷。因此，只有当氢气由可再生能源生产时，其作为清洁、多功能、高效能量载体的优势才能充分显现[8],[9]。

水分解是一种成熟的制氢技术，但传统水分解制氢需要较高的外部能量输入（>1.8伏）[10]。发酵法可利用有机废弃物制氢，但效率较低：理论上生物制氢产量可达12摩尔H₂/摩尔葡萄糖，而暗发酵生物制氢的代谢极限仅为4摩尔H₂/摩尔葡萄糖[11]。酶和生物催化剂具有高效性、反应特异性和底物兼容性等优势，但该技术仍处于发展阶段，需攻克多项生物学和科学难题[12]。微生物电解池（MECs）是最具前景的未来制氢技术之一，可利用废水和固体废弃物生产氢气（图1）[13],[14]，其制氢已在中试规模得到验证[15]。理论上，MECs仅需极低的外部能量输入（>0.2伏）[14]，且废水中有机物的生物能可转化为化学能，进一步降低能耗[16]。在MECs中，电活性细菌（EAB）分解有机污染物产生质子（H⁺）、电子（e⁻）和CO₂，电子通过细胞外电子传递（EET）过程转移至阳极（反应式1）；同时，H⁺扩散至阴极并获得电子生成H₂，即析氢反应（HER）（反应式2）[17]。
（1）阳极：有机化合物 + H₂O → CO₂ + e⁻ + H⁺
（2）阴极：2H⁺ + 2e⁻ → H₂

服务对象 ：广东工业大学
发表时间： 2023 年 9 月 1 日
发表期刊： Chemical Engineering Journal
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144670