SEM-bilden visar den täta och enhetliga katodiska biofilmen, som huvudsakligen består av kemolitoautotrofer, och skulle kunna fungera som biokatalysatorer för effektiv koldioxidomvandling till acetat. Kredit:KAUST 2020
Halvledande fotokatalysatorer som effektivt absorberar solenergi kan minska energin som krävs för att driva en bioelektrokemisk process som omvandlar CO 2 utsläpp till värdefulla kemikalier, KAUST-forskare har visat.
Återvinning av CO 2 kan samtidigt minska koldioxidutsläppen till atmosfären samtidigt som det genererar användbara kemikalier och bränslen, förklarar Bin Bian, en Ph.D. student i Pascal Saikalys labb, som ledde forskningen. "Mikrobiell elektrosyntes (MES), i kombination med en förnybar energiförsörjning, kan vara en sådan teknik, säger Bian.
MES utnyttjar kapaciteten hos vissa mikrober att ta upp CO 2 och omvandla det till kemikalier, såsom acetat. I naturen, kemolitoautotrofa mikrober metaboliserar mineraler som en energikälla i en process som involverar överföring av elektroner. Denna förmåga kan utnyttjas för att vända CO 2 till förädlade produkter om mikroberna tillförs en ström av elektroner och protoner från anodiskt vatten som spjälkas i en elektrokemisk cell (se bild).
I deras senaste verk, snarare än att fokusera på CO 2 -till-acetat steg, teamet arbetade med att minska energitillförseln för produktion av molekylärt syre (O2) vid anoden, en reaktion som håller hela cellen i balans. "I MES-system, den process som förbrukar mest energi tros vara syreutvecklingsreaktionen (OER), " förklarar Bian. Forskare har använt ljusfångande anodmaterial, såsom titandioxid, som utnyttjar energi från solljus för att hjälpa till att driva OER. I sitt nuvarande arbete, teamet undersökte ett lovande alternativ för fotoanoden, det ljusskördande materialet, vismutvanadat.
Vismutvanadat absorberade energi från ett mycket bredare spektrum av solspektrumet än titandioxid, göra hela MES-cellen mer effektiv, laget visade. "Vi fick en omvandlingseffektivitet från solenergi till acetat på 1,65 procent, vilket är det högsta rapporterade hittills, " Saikaly säger. "Denna effektivitet är cirka åtta gånger högre än effektiviteten på 0,2 procent av global naturlig fotosyntes, som är naturens soldrivna process för att omvandla CO 2 till energirika molekyler, " noterar Bian.
Hittills har teamet hållit mikrobbiokatalysatorerna försedda med en stadig ström av elektroner och CO 2 för att upprätthålla deras tillväxt. "Nästa steg för oss är att testa vårt system under verkligt solljus och övervaka resiliensen hos biokatalysatorerna under en intermittent förnybar energikälla, " säger Saikaly.
