论文标题：The Impact of a NiFe-Based Metal Alloy on CO₂ Conversion to CH₄ and Carboxylic Acids in a Microbial Electrosynthesis Cell

论文链接：https://doi.org/10.3390/methane4030019

期刊名：Methane

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/methane

当“吃电”的微生物遇见精心设计的金属合金催化剂，温室气体CO₂不仅能转化为甲烷能源，还能“升级”为价值更高的丁酸、己酸。这项发表于Methane期刊的最新研究，为CO₂资源化利用打开了新的想象空间。

1. 研究背景

随着气候变化日益加剧，碳捕集与利用技术成为全球关注的焦点。在众多转化路径中，微生物电合成是一种极具潜力的解决方案：它利用电活性微生物从电极获取电子，将二氧化碳（CO₂）还原为甲烷（CH₄）等高价值化学品。

然而，这项技术也面临一个核心瓶颈——电子传递效率。微生物与阴极之间的电子“沟通”不够顺畅，严重制约了CO₂的转化速率和产物选择性。如何设计高性能阴极材料、优化电子传递路径，成为提升微生物电合成（Microbial Electrosynthesis，MES）系统效率的关键突破口。

NiFe基合金因其优异的导电性、催化活性和生物相容性，近年来在电催化领域备受关注。那么，这些金属材料能否在微生物电合成系统中“大显身手”？本研究给出了答案。

2. 研究设计

本研究系统评估了三种NiFe基合金催化剂（NiFeBi、NiFeMn和NiFeSn）在微生物电合成系统中对CO₂转化的影响。

研究首先将这些合金通过电沉积技术分别负载在两种不同类型的阴极基底上：

•导电生物环阴极：一种传统的平面导电基底

•3D打印导电聚乳酸网格：一种具有三维多孔结构的新型阴极，旨在提升微生物附着和营养物质传递效率

随后，研究团队在恒流模式下运行MES反应器，定期监测甲烷和羧酸的产量，并通过循环伏安法分析电极的电化学性能。部分实验持续运行长达12个月，以评估催化剂的长期稳定性。

3．研究结果

3.1 不同合金的差异化表现

研究发现，不同NiFe合金对产物分布展现出显著差异：

•NiFeBi合金：显著抑制甲烷生成，甲烷产量从0.55降至0.12 L (Lc d)^-1，降幅高达80%；同时乙酸产量提升至1.0 g (Lc d)^-1，表明产酸菌活性明显增强。

图1. 在导电生物环阴极上存在和不存在电沉积 NiFeBi 催化剂的情况下，MES 反应器中甲烷和乙酸的生成速率。

•NiFeSn合金：同时提升甲烷和乙酸的产量，展现出促进碳链延长和CO₂吸收的双重潜力。

•NiFeMn合金：效果居中，介于两者之间。

图 2. 在碳毡阴极上存在和不存在电沉积 (A) NiFeMn 和 (B) NiFeSn 催化剂的情况下，MES 反应器中甲烷和乙酸的生成速率。

3.2 3D打印阴极的突破

当将NiFeSn合金电沉积在3D打印导电聚乳酸网格上时，长链羧酸（丁酸和己酸）的产量显著增加，如图3。这表明3D打印结构具有更好的生物相容性和营养输送能力，为微生物提供了更宜居的“家园”。

图 3. 在 MES 细胞中接种 (A) 混合培养污泥和 (B) 富集培养物，以及在 cPLA 阴极载体上电沉积 NiFeMn 和/或 NiFeSn 催化剂存在和不存在的情况下，甲烷和乙酸的产生速率。.

3.3 电化学性能验证

图4循环伏安分析表明，催化剂涂层显著改善了阴极的电化学响应，实现了更高效的电子传递。同时，NiFeBi涂层使能量消耗降低了35%。

图 4. 在 MES 反应器中，以 5 mV s⁻¹ 的扫描速率，对 (A) cPLA 和 NiFeMn/cPLA 在测试开始和结束时记录的循环伏安图（非富集培养）；以及 (B) 在 MES 阴极电解液中，以富集培养进行 MES 测试结束时记录的 NiFeSn/cPLA 的循环伏安图（富集培养）。

4．结论与展望

催化剂选择和阴极结构设计是优化MES系统的两个核心杠杆。

更重要的是，3D打印阴极 + 功能合金涂层的组合策略，为高值羧酸的定向合成开辟了新路径，但当前产率仍有较大提升空间（己酸产率仅约0.1 g (Lc d)^-1）。

这一研究成果为CO₂资源化利用提供了重要技术参考，也向业界传递了一个明确的信号：材料创新是解锁微生物电合成潜力的关键钥匙——无论是能源导向的甲烷，还是高值化学品导向的羧酸，通过精细的催化剂设计都有望实现“按需定制”。

未来，结合合成生物学手段改造微生物代谢通路，有望进一步提升产物产率和选择性，推动这项绿色技术走向工业化应用。

Methane期刊介绍

https://www.mdpi.com/journal/methane

主编：Prof. Dr. Patrick Da Costa, Institut d’Alembert, Sorbonne Université, CNRS UMR7190, 2 pl de la Gare de Ceinture, 78210 St Cyr L’Ecole, France

期刊专注于甲烷及其相关领域的创新研究。期刊涵盖甲烷的生产、储存、转化、利用及环境影响等多个方向，涉及能源科学、环境工程、化学催化、微生物学等交叉学科，旨在为全球学者提供高质量的学术交流平台。本期刊涵盖与甲烷相关的所有研究主题，重点关注但不限于以下领域：甲烷勘探与开采技术，甲烷的化学与物理特性，甲烷及其衍生物的应用，甲烷排放与控制，甲烷代谢过程，天然气水合物（可燃冰），氢能技术，氢燃料开发。期刊于2026年被Scopus收录