摘 要

随着人类社会的不断进步，人们对能源的需求正在上升，并且在未来一段时间内仍将持续增高。同时化石燃料的大规模使用，使得CO₂等温室气体大量排放，实现二氧化碳“净零排放”的难度十分大。微生物电合成技术是近十年来新起的技术，能够利用微生物的固碳过程将电能转化为更加富有价值的含碳有机物，对于解决能源短缺和温室效应具有广阔的前景。

本论文研究了钨基复合阴极材料对生物电合成醋酸的影响，利用磁控溅射技术将钨金属纳米粒子溅射到石墨基板上，同时与石墨板和纯金属钨作为阴极材料进行对比。阳极都使用石墨板，阴极使用三种不同的材料搭建微生物电池，在电池运行期间还需要对每天阴阳极液体取样，最后使用高效液相色谱（HPLC）测量其中的醋酸含量。最终通过对比使用不同材料作为阴极时电合成醋酸速率，结果为使用钨基复合材料和纯金属钨作为阴极材料分别比石墨板作为阴极材料时电合成醋酸速率快2.44和2.30倍。实验表明钨基复合材料和纯金属钨都对微生物电合成有促进作用，并且使用钨金属纳米粒子还可以在一定程度上降低材料成本。

关键词：微生物电合成；阴极材料；钨；醋酸

Abstract

With the continuous progress of human society, people's demand for energy is rising, and will continue to increase in the coming period of time. At the same time, the large-scale use of fossil fuels makes it possible to emit large amounts of greenhouse gases such as CO₂, and it is very difficult to achieve "net zero emissions" of carbon dioxide. Microbial electrosynthesis technology is a new technology developed in the last decade. It can use the carbon fixation process of microbes to convert electrical energy into more valuable carbon-containing organic compounds, and has broad prospects for solving energy shortages and greenhouse effects.

In this dissertation, the effects of tungsten-based composite cathode materials on the biosynthetic synthesis of acetate were studied. The tungsten metal nanoparticles were sputtered on the graphite substrate by magnetron sputtering, and compared with graphite plate and pure metal tungsten as cathode materials. Anode uses graphite plate, and cathode uses three different materials to build microbial cells. During the operation of the battery also need to sample the anode and cathode liquid every day, and finally use high performance liquid chromatography (HPLC) to measure the content of acetate. Finally, the rate of acetate synthesis was compared when using different materials as the cathode. The results showed that the use of tungsten-based composite materials and pure metal tungsten as the cathode material were faster than the graphite plate as the cathode material in acetate electrosynthesis, and the rate of acetate electrosynthesis was 2.44- and 2.30- fold faster than graphite plate, respectively. Experiments show that tungsten-based composite materials and pure metal tungsten promote the electrosynthesis of microorganisms, and the use of tungsten metal nanoparticles can also reduce the material cost in some extent.

Key Words：microbial electrosynthesis；cathode material；tungsten；acetate

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 全球对能源需求的提高 1

1.2 实现二氧化碳“净零排放”的难度 1

1.3 二氧化碳的固定及其途径 2

1.4 微生物电合成技术对能源紧缺、碳排放的解决前景 2

1.5 电化学活性菌株 3

1.6 微生物电合成（MES）的基本原理 3

1.7 将CO₂作为还原底物的微生物电合成 5

1.7.1 产甲烷菌 5

1.7.2 产乙酸菌 5

1.7.3 Fe(Ⅱ)氧化菌 6

1.8 Sporomusa ovata（S.ovata）同型产乙酸菌 6

1.9 微生物电合成国内外研究现状 7

1.10 选择钨金属进行复合的主要原因 8

1.11 本论文研究目的及意义 8

第2章 实验流程 9

2.1 实验主要试剂 9

2.2 实验主要设备 9

2.3 钨基复合材料的制备方法 10

2.4 实验所需溶液的配制及其处理方法 12

2.5 产乙酸菌S.ovata的培养及搭建电池前的准备工作 13

2.6 H-cell电池的搭建及运行 14

2.7 定时取样及基础数据的记录 14

2.7.1 定时取样和离心保存 14

2.7.2 OD值的测量 15

2.7.3 pH的测量 15

2.7.4 槽压的测量 15

2.8 电合成醋酸量的测量 15

第3章 实验数据及分析 17

3.1 醋酸标准曲线的测量及绘制 17

3.2 电池运行期间的时间-电流曲线 18

3.2.1 纯金属钨作为阴极材料 18

3.2.2 钨基复合材料作为阴极材料 19

3.2.3 石墨片作为阴极材料 20

3.3 电合成醋酸的产量 20

3.3.1 纯金属钨作为阴极材料电合成醋酸的产量 20

3.3.2 钨基复合材料作为阴极材料电合成醋酸的产量 22

3.3.3 石墨片作为阴极材料电合成醋酸的产量 24

3.3.4 三种不同阴极材料电合成醋酸速率的对比 26

3.4 分析与讨论 27

3.5 结论与展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 全球对能源需求的提高

国际能源署（International Energy Agency，IEA）于1974年由经济合作与发展组织成立，目的是为了处理全球面临的能源危机。IEA的宗旨为促进石油生产国与石油消费国之间的沟通与合作，作用防止国际上石油供需间的变动，同时还会向全球提供国际上的石油能源市场以及其他各种能源领域之间的情报及预测。

IEA每年都会出版《世界能源展望（World Energy Outlook）》，该年度报告会使用数据并具体分析在国际上，所有能源的发展走向和国际能源在发展中所存在的主要问题，同时也是在全球能源领域中最具影响力的展望报告之一。

在2017年11月，IEA发布了《世界能源展望（World Energy Outlook 2017）》，对2040年前全球对能源需求及供应进行了全面的预测。在该报告中，IEA预计，到2040年，全球人口将会增加至90亿以上，相较过去，全球对于能源需求的增加速率将放缓，但从现在到2040年间，能源需求预计仍然会增加30%，这相当于在现在全球能源需求的基础上再增加一个中国与印度的能源需求量^[1]。

这表明在较长的一段时间内，全球对于能源的需求量仍将会持续增长，其原因可能是人类对于化石资源的大量利用。化石资源是不可再生能源同时也会增加碳排放量，人类对于化石资源的不恰当使用也会导致“温室效应”的加剧。所以，寻找用于补充化石燃料的能源的可再生能源，是人类社会需要一直进行的工作，也是实现可持续发展的必经之路。

1.2 实现二氧化碳“净零排放”的难度

2016年在纽约，许多国家一同签定了《巴黎协定》这一有关于气候变化的协定，签订该协议是为了联合起来将全球的平均气温升高的幅度控制在2℃之内，并且争取能控制平均气温升高幅度在1.5℃内，目标在本世纪末能实现温室气体（主要为二氧化碳）“净零排放”。