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图5
氢气介导MES的强化策略-1
正文中引用本图/表的段落
除了Co基催化剂外，其他过渡金属材料也显示出优异的析氢性能。例如，Nichols等人利用Pt或α-NiS作为电催化材料，与固碳产甲烷菌M. barkeri耦合，构建了一个光/电驱动的MES平台，成功实现了太阳能驱动的水分解和高效率的CO2转化为甲烷，库仑效率高达86%［46］。此外，Jiang等人系统评估了In、Zn、Ti和Cu等四种金属阴极在混合培养MES系统中的表现［51］，发现Zn基阴极在乙酸生产方面优势明显，其乙酸产率和终产物浓度均显著高于其他电极材料，展现出良好的电-微生物协同效应［图5（a）］。
优化反应器设计可以延长氢气在反应器内的停留时间并增强传质速率，能有效提高系统性能。Cai等人开发了一种基于电解氢供给的新型移动床生物膜反应器（MBBR反应器）［56］，有效提升了H2传质效率并显著提高了甲烷生成速率（1.42 L/（L·d）），为当时同类系统的两倍［图5（b）］。这一结果明确表明，在高电流密度下，H2利用率的提升可大幅提高MES的产物产量和能效。
在强化H2供给的同时，提升电极界面的气液传质效率亦至关重要。Gao等人采用一种超疏气电极策略，通过CoP纳米线修饰泡沫镍（CoP-NiF）构建新型阴极材料，显著减小氢气气泡尺寸（由300 μm降至100 μm），使氢气传质系数提升129%［图5（c）］［58］。在高达166.67 A/m2的电流密度下，该系统的甲烷产率提高27%，达到2.31 L/（L·d），且库仑效率超过80%。该研究表明，电极微结构工程在提升H2传递效率及整体电子利用方面具有显著优势，为后续材料设计提供了范式。
原位耦合与异位耦合的对比 ... Improved robustness of microbial electrosynthesis by adaptation of a strict anaerobic microbial catalyst to molecular oxygen 1 2021 ... 尽管目前主流的产乙酸菌与产甲烷菌在MES系统中已显示出良好性能，但其多为严格厌氧菌株，对氧气（O2）极度敏感，限制了其在开放体系中的推广应用.尽管已有研究尝试通过实验室进化增强其耐氧能力［ Cathodes as electron donors for microbial metabolism: which extracellular electron transfer mechanisms are involved? 1 2011 ... IET通常通过引入可再生的电子载体，如气态氢气（H2）或可溶性氧化还原介体（如甲基紫精、中性红等），在电极与微生物之间搭建“电子中转桥”，以克服微生物直接从电极获取电子的结构障碍［ Expanding the product spectrum of value added chemicals in microbial electrosynthesis through integrated process design-A review 1 2018 ... IET通常通过引入可再生的电子载体，如气态氢气（H2）或可溶性氧化还原介体（如甲基紫精、中性红等），在电极与微生物之间搭建“电子中转桥”，以克服微生物直接从电极获取电子的结构障碍［ The one-pot synthesis of a ZnSe/ZnS photocatalyst for H2 evolution and microbial bioproduction 1 2021 ... 众多固碳菌株，如Ralstonia eutropha、M. barkeri 和 Moorella thermoacetica等，均携带高效的膜结合型氢酶［ Hybrid bioinorganic approach to solar-to-chemical conversion 1 2015 ... 除了Co基催化剂外，其他过渡金属材料也显示出优异的析氢性能.例如，Nichols等人利用Pt或α-NiS作为电催化材料，与固碳产甲烷菌M. barkeri耦合，构建了一个光/电驱动的MES平台，成功实现了太阳能驱动的水分解和高效率的CO2转化为甲烷，库仑效率高达86%［ Nonmetallic abiotic-biological hybrid photocatalyst for visible water splitting and carbon dioxide reduction 1 2020 ... 众多固碳菌株，如Ralstonia eutropha、M. barkeri 和 Moorella thermoacetica等，均携带高效的膜结合型氢酶［ Mo2C-induced hydrogen production enhances microbial electrosynthesis of acetate from CO2 reduction 1 2019 ... （1）电极材料的优化策略在以H2为电子中介的MES系统中，阴极析氢效率是影响系统整体能量转化效率和产物收率的关键因素.由于H2的产生过程往往占据较大的能耗并影响库仑效率，因此开发高效、廉价且稳定的析氢催化材料，对于降低系统能耗、提升反应速率和促进CO2的高值转化具有重要意义［ Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial-water-splitting catalyst system 2 2015 ... Nocera团队率先开发了一种廉价钴基催化剂CoPi（钴磷氧化物），其在低过电位下表现出优异的电催化水分解性能［
原位耦合与异位耦合的对比 ... Water splitting-biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis 1 2016 ... Nocera团队率先开发了一种廉价钴基催化剂CoPi（钴磷氧化物），其在低过电位下表现出优异的电催化水分解性能［ Zinc: A promising material for electrocatalyst-assisted microbial electrosynthesis of carboxylic acids from carbon dioxide 1 2019 ... 除了Co基催化剂外，其他过渡金属材料也显示出优异的析氢性能.例如，Nichols等人利用Pt或α-NiS作为电催化材料，与固碳产甲烷菌M. barkeri耦合，构建了一个光/电驱动的MES平台，成功实现了太阳能驱动的水分解和高效率的CO2转化为甲烷，库仑效率高达86%［ Enhanced bio-production from CO2 by microbial electrosynthesis (MES) with continuous operational mode 2 2021 ... 值得注意的是，电极材料不仅影响析氢反应动力学，还对微生物附着、生物膜形成及系统稳定性起关键作用［
本文的其它图/表
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